Четырехканальный реограф на транзисторах

Введение

Реографией называется метод изучения состояния какой-либо системы и происходящих в ней процессов по изменению электрического сопротивления этой системы для постоянного или переменного тока. Реография — весьма точный метод, так как даже очень малые изменения сопротивления могут быть зарегистрированы современными приборами — реографами.

Реограммой называется кривая, соответствующая зависимости сопротивления исследуемой системы R (или его изменения D R) от времени: R = R (t) или D R= D R (t).

В медицинской диагностике разработаны методики регистрации реограмм любого органа человеческого тела: сердца (реокардиограмма), мозга (реоэнцефалограмма), магистральных сосудов, печени, легких, конечностей и др. При этом вид реограммы дает нужную информацию об изменениях кровенаполнения органа при пульсациях сердца, о скорости кровотока, состоянии сосудистой системы и др. Такая информация существенно дополняет, в частности, результаты электрографического обследования при диагностике сердечно — сосудистых и других патологий, поэтому реография часто применяется в комплексе с ЭКГ, ЭЭГ и т. д.

Реографическое обследование практически совершенно безвредно для пациента, так как проходящие через него при этом токи имеют очень малую величину. Поэтому реографическое обследование может продолжаться в течение длительного времени (например, при функциональной диагностике), либо неоднократно повторяться.

В настоящее время метод реографии считается весьма перспективным и широко используется в различных областях клинической диагностики и в физиологических исследованиях.

1. Медико-технические требования Биологические ткани, в том числе ткани тела человека, способны проводить электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы. Наибольшей удельной электропроводимостью (g), то есть наименьшим удельным сопротивлением ®, обладают ярко выраженные электролиты — спинномозговая жидкость и кровь. Жировая, костная ткани, а также сухая кожа, имеют очень малую. Рассмотрим схему измерения сопротивления органа или участка тела O (рис. 1).

Рисунок 1 — Схема измерения сопротивления

I — сила тока протекающая через участок О, измеряемая миллиамперметром тА; U — напряжение между электродами Э-Э, измеряемое вольтметром V, то R=U/I. Сопротивление R должно изменяться в такт с сердечными сокращениями, поскольку во время них происходят изменения кровенаполнения органа. Однако практически эти изменения так малы (десятые доли Ом и меньше), что не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего сопротивления участка О (обусловленного большим сопротивлением кожи, межтканевых границ раздела, переходным сопротивлением кожаэлектрод и др.). Кроме того, истинное сопротивление участка тела на постоянном токе вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в медицинской реографии не используется постоянный ток, а вместо него применяется переменный ток большой частоты (порядка 100 кГц).

При подаче на электроды Э-Э (рис. 2) переменного напряжения

U =U₀sinщt (1)

в цепи исследуемого объекта О протекает переменный ток, изменяющийся по закону

I=I₀sin (щt-ц₀), (2)

щ=2рх — циклическая частота; х — частота переменного тока; ц₀ — сдвиг по фазе между током и напряжением.

Рисунок 2 — Подача на электроды переменного напряжения Величина

Z = U₀/I₀ (3)

называется, полным сопротивлением или импедансом объекта и зависит как от свойств самого объекта (электрического сопротивления R, емкости С и индуктивности L объекта), так и от частоты переменного тока.

В тканях тела человека структур, обладающих индуктивными свойствами, не обнаружено. Однако клеточные мембраны, а также границы раздела между различными тканями в определенном смысле подобны конденсаторам (при прохождении тока в них возникает двойной электрический слой зарядов), поэтому любой участок тела обладает более или менее значительной емкостью С.

Так как емкостное сопротивление R_c уменьшается при увеличении частоты переменного тока х по закону

R_c = ½рхС = 1/щС, (4)

то можно ожидать, что и полное сопротивление (импеданс) участка тела также будет убывать с частотой.

Действительно, характерная зависимость импеданса живой ткани Z от частоты переменного тока n имеет вид, представленный на рис. 3.

Рисунок 3 — Зависимость импеданса живой ткани При малых частотах n (до 10⁴ Гц) импеданс велик и примерно равен активному сопротивлению R ткани для постоянного тока. При больших частотах Z уменьшается, достигая n ~ 10⁸ Гц некоторого минимального значения R'.

Такая зависимость импеданса от частоты может быть приближенно моделирована электрической схемой, представленной на рис. 4.

Рисунок 4 — Модель электрической схемы отражающей зависимость импеданса от частоты В медицинской реографии используются частоты переменного тока порядка 100 кГц. При столь больших частотах общий импеданс исследуемого органа или участка тела уменьшается и значительно большей степени зависит от кровенаполнения органа. Поэтому относительные изменения импеданса во время сердечных сокращений становятся большими, и их регистрация значительно облегчается. Причем эти изменения практически определяются лишь изменением активной составляющей R полного импеданса исследуемого органа, так как емкостная составляющая на используемых частотах при изменении кровенаполнения изменяется совершенно незначительно.

2. Описание физического метода измерения

2.1 Структурная схема реографа Реограф имеет общий генератор и 4 идентичных канала (с автономным витанием). Напряжение высокой частоты поступает с генератора через обмотки связи на преобразователи каналов, где изменения сопротивления пациента (для токов в. ч) преобразуется в пропорциональные изменения напряжения низкой частоты. Блок схема реографа изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Блок схема реографа

1) Генератором высокочастотного напряжения в реографе является двухтактный автогенератор с индуктивными связями на транзисторах Т₁ Т₂ и трансформаторе Тр-1. Высокочастотное напряжение — 2,5 в (эф) подается с четырех выходных обмоток на преобразователи каналов.

2) Преобразователь по схеме балансного демодулятора состоит из сопротивлений: эквивалента (R₇) или R пациента, R баланса (R₈)_, R₁₄, R₁₅, диодов Д1 + Д4 и конденсатора C_2. Напряжение в.ч. подается на средние точки измерительной (R₇, R ₈) и усилительной (R₁₄, R₁₅) диагоналей демодулятора. При равенстве плеч измерительной диагонали (R₇= R₈ или R_пац = R₈) на выходе демодулятора сигнал отсутствует. При изменении сопротивления пациента на выходе демодулятора появляется постоянное напряжение, пропорциональное изменению сопротивления. Преобразователь имеет образную характеристику, линейную в весьма широком диапазоне разбалансировок и неизменную фазовую характеристику, при переходе черев нуль (положение баланса). Низкочастотный сигнал (пропорциональный изменению входного импеданса) с емкостной нагрузки демодулятора С₂ поступает на усилитель постоянного тока.

3) Калибровка производится с изменением сопротивления, включенного последовательно с сопротивлением пациента. Кнопкой калибровки сопротивление, стоящее в цепи пациента — R₁ замыкается набором сопротивлений R₂ + R₆ различной величине в зависимости от амплитуды калибровки. Калибратор собран, из сопротивлений УЛИ-1% что обеспечивает точность калибровочных импульсов. Для калибровки в отсутствии реограммы (с целью избавления от ошибок) возникающих за счет инерционности перьев) предусматривается возможность переключения на эквивалентное сопротивление R_экв, подключаемое взамен пациента.

4) Индикатором настройки и контроля питания служит микроамперметр М-592, подключаемый либо к выходу демодулятора настраиваемого канала, либо к источнику питания генератора. При работе индикатор отключается от настраиваемого канала для устранения 50 Гц. наводки и шунтирования сигнала.

5) Парафазный усилитель постоянного тока собран по схеме с общим эмиттером на малошумящих транзисторах Т₂, Т₃ типа П-28. Усилитель балансируется потенциометром, уставленным в цепи нагрузки Р₁₇. Потенциометром Р₁₃ в цепи базового смещения регулируется усиление. При правильном выборе режима транзисторов шумы прибора, приведенные ко входу, не превышают 0,0025 Ом. Малый температурный и временной дрейф — обеспечивается согласованием с демодулятором и тщательным подбором транзисторов.

6) Сигнал с нагрузки усилителя поступает на симметричный плавный аттенюатор для возможности установки амплитуды сигнала необходимой величины. Далее сигнал поступает на переключатель полосы пропускания канала, обеспечивая в положении 0−500 гц запись, на регистратор, имеющий УПТ, реоплетизмограммы.

7) Для дифференцирования реограммы сигнал с выхода усилителя подается на дифцепочку PC, имеющую постоянную времени дифференцирования 10 мсек.

8) Реограф имеет 5 автономных источников питания для получения минимальных связей по каналам. Источники питания (батареи КБСЛ-0,5; «Сатурн») не имеют общих точек между собой и корпусом прибора.

Принципиальная электрическая схема прибора изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 — Принципиальная электрическая схема реографа 4-РГ-1

2.2 Специфические требования к реографу Четырехканальный реограф на транзисторах с питанием от батарей предназначен для ведения научноисследовательских работ по изучению кровенаполнения различных органов, а тканей человека и животных (реофаэография, реоэнцефалография и.т.д.).

С помощью реографа можно исследовать относительный обмен кровенаполнения, скорость и интенсивность пульсовой волны, сосудистый тонус и т. д.

Реограф может быть применен для диагностики различных поражений. сердца, сосудистых поражений головного мозга, в хирургической практике и, т.д.

Намерение вышеуказанных параметров производится ''методом импедансной плетизмографии. Интересующей участок зондируется высокочастотным напряженней, для которого он представляет определенное сопротивление, Изменение этого сопротивления при изменении кровотока преобразуется в электрический сигнал и регистрируется кардиографом ЭЛКАР-4 или энцефалографом 4ЭЭГ-1 (или другим регистратором подобного типа при соответствующем исключении к его входному разъему).

При используемых в реографе частотах переменного тока емкостное сопротивление биообъекта мало, и полный импеданс приближенно равен активной составляющей сопротивления R. В случае, если с помощью потенциометра установить R_Щ=R, напряжение на выходе измерителя и демодулятора (отсутствует, что и регистрируется индикатором. Такого баланса обычно добиваются в начале работы с реографом. По шкале потенциометра при этом определяют сопротивление биообъекта R=R_Щ. Отметим, что вместо биообъекта в измерительную цепь моста может быть включено эквивалентное переменное сопротивление, которое можно подобрать равным R_Щ, так что R_Щ=R=R_экв.

В случае, когда сопротивление биообъекта R слабо и медленно (например, с частотой сердечных сокращений) изменяется во времени (рис. 7а), высокочастотное напряжение генератора (рис. 7б) на выходе измерителя U₁ (рис. 7в) оказывается уже не равным нулю, а модулированным значением? R (t). Демодулятор, представляющий собой выпрямитель на диодах, выделяет медленно изменяющуюся часть («огибающую») этого сигнала U₂ (рис. 7г), прямо пропорциональную изменениям? R сопротивления биообъекта:

U₂ = k₁?R, k₁ = const (5)

Это напряжение обычно бывает, однако, очень мало и не может быть непосредственно зарегистрировано индикатором или регистратором. Поэтому напряжение U₂ подается, вначале на усилитель. Усиленное напряжение U₃ (рис. 7д)

U₃ = k₂U₂ = k₁k₂?R, k₂ = const (6)

то есть

U₃ = k? R, k = k₁k₂ (7)

поступает с выхода реографа на регистратор где наблюдается реограмма (рис. 7е)

?x = qU₃ = kq? R (q = const), (8)

?x = p? R, p = kq = const (9)

где ?x — величина смещения шкалы регистратора (например, пера электрокардиографа, луча осциллоскопа и т. д.). График зависимости? x (t), прямо пропорциональный изменениям сопротивления биообъекта? R (t), и представляет собой реограмму.

Рисунок 7 — построение реограммы биообъекта

2.3 Технические характеристики реографа Количество каналов:

Реограммы…4

дифференцированной реограммы…4

Частота генератора…120 кГц Чувствительность каналов (при R₆ = 100 ом)…не ниже 3 мВ на 0,1 Ом Диапазон настройки…25 + 500 Ом Амплитуда калибровок (в Ом)… …0,2; 0,1;0,05; 0,02

Допустимый уход баланса:

(при уменьшении реограммы на 10%)…±5 Ом (R₆ = 100 Ом) Собственные шумы, приведенные к входу не более…0,0025 Ом Взаимовлияния каналов (на эквиваленте)… … не более 2%

Выходное сопротивление при записи реограммы…5 кОм Выходное сопротивление при записи дифф. реограммы…200 кОм Полоса пропускания…0−500 Гц; 0,2−500 Гц Ток высокой частоты через объект не более…2,5 мА

Постоянная дифференцирования…10 мс Время непрерывной работы без смены питания:

- генератора не менее…100 час.

- усилителей не менее…500 час.

Габаритные размеры…324×234×120 мм

Beс прибора (без соединительных шлангов)… …4,8 кг

2.4 Конструкция прибора Прибор выполнен в виде малогабаритного блока с наклонной лицевой панелью, на которую выведены вое ручки управления. В центре панели расположены общие органы управления, слева и справа — попарно — симметрично органы управления каждым каналом (рис. 3).

Общие органы управления:

Тумблер включения генератора…5

Тумблер включения каналов…2

Микроамперметр (индикатор)…4

Переключатель амплитуда калибровки…11

Кнопки калибровки…13

Переключатель настройки и контроля…12

Органы управления каналами:

Входные гнезда для подключения пациента…16

Эквивалентное сопротивление…15

Тумблер подключений эквивалента либо пациента…14

Сопротивление баланса…17

Ручка усиления…6

Переключатель полосы пропускания…1

Батареи питания генератора (9) и каналов (10) расположены на нижнем основании прибора. На задней стенке расположен выходной разъем (З, 8) а клеммы заземления прибора (7).

Рисунок 3 — Внешний вид реографа 4-РГ-1

3. Расчет ВЧ генератора На рисунке 4 избражена принципиальная электрическая схема транзисторного ВЧ генератора.

Рисунок 4 — Транзисторный ВЧ генератор Основными техническими данными для расчета транзисторного LC-генератора являются: выходная мощность, отдаваемая автогенератором в нагрузку, Р_вых и частота генерируемых колебаний f_р.

1.Выбираем тип транзистора. При заданном значении Р_вых мощность Р_к, которую должен отдать транзистор в контур, составляет

Р_К =Р_вых/з_к,

Вт Где з_к, — КПД контура.

При повышенных требованиях к стабильности частоты автогенератора КПД контура з_к выбирают в пределах 0,1…1,2. В остальных случаях его можно увеличить до 0,5…0,8.

Выбирая транзистор, необходимо исходить из условий Р_К max >P_K,

f_max ?f_p,

где Р_К max -максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора выбранного транзистора; f_max -максимальная частота генерации биполярного транзистора; выбранного типа. Параметры Р_К max = 0,4Вт. и f_max = 200 МГц. высокочастотных транзисторов приведены в справочнике по полупроводниковым приборам (взяли транзистор КТ 668 В, или его аналог BС393)

2. Рассчитываем энергетический режим работы генератора. Выбираем импульс коллекторного тока косинусоидальной формы. Считая, что в критическом режиме угол отсечки тока коллектора и=90^°, по графикам (рис. 5) находим коэффициенты разложения импульса коллекторного тока б₁=0,5; б₀=0,318.

Находим усредненное время движения ф_п носителей тока между p-n переходами транзистора по формуле ф_п?½рf_max

c

Вычисляем угол пробега носителей тока

ц_пр=2рf_рф_п

Вычисленное по формуле значение ц_пр выражаем в градусах. При этом учитываем, что при ц_пр=2р угол ц_пр=360^°. Находим угол отсечки тока эмиттера и_э=и-ц^°_пр

;

По графикам (рис. 5) определяем коэффициенты разложения импульса эмитерного тока б_1(Э) и б_0(Э)

Рисунок 5 — График для определения значений Напряжение питания можно определить по формуле при этом U_k берем в пределах 0,8…1,2 В:

;

Коэффициент использования коллекторного напряжения выбираем из соотношения:

о=1−2Р_к/Е_к²S_крб₁

;

где S_кр — крутизна линии критического режима выбранного транзистора (при отсутствии данного параметра в справочнике значение S_кр определяют графически в семействе идеализированных выходных характеристик транзистора; из справочника возьмем S_кр=0,03).

Определяем основные электрические параметры режима:

амплитуду переменного напряжения на контуре

U_мк=о|E_k|;

амплитуду первой гармоники коллекторного тока

I_K1m=2P_K/U_mk;

Постоянную составляющую коллекторного тока

I_Kпост=б₀I_K1m/б₁

;

максимальное значение импульса тока коллектора

I_Kи max= I_K1m/б₁

;

мощность, расходуемую источником тока в цепи коллектора Р₀=I_Kпост|E_k|;

;

мощность, рассеваемую на коллекторе Р_К рас=Р₀-Р_К

;

причем необходимо, чтобы Р_К рас<�Р_K max

КПД по цепи коллектора з=Р_К/Р₀

;

Эквивалентное резонансное сопротивление контура в цепи коллектора

R_рез=U_mk/I_K1m

;

Находим коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОБ на рабочей частоте

h_{21б (}f_p)=h_21б/

;

Где h_{21б (}f_p) — коэффициент передачи тока; f _{h21б (}f_p)-предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора выбранного типа.

Для определения параметра h_21б (значение которого не всегда приводится в справочниках) может быть использована формула

h_21б= h_21э/(1+ h_21э)

;

где h_21э-коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ.

Определяем амплитуду первой гармоники тока эмиттера

I_Э1m=I_K1m/ h_{21б (fp)}

;

Находим амплитуду импульса тока эмиттера

I_Э u max= I_Э1m/б_1(Э)

;

Рассчитываем амплитудное значение напряжения возбуждения на базе транзистора, необходимое для обеспечения импульса тока эмиттера I_Э u max без учета влияния частоты

U_БЭm= I_Э u max/(1-cosи_э)S₀

;

где S₀-крутизна характеристики тока коллектора.

Определяем напряжение смещения на базе, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера,

U_БЭсм=Е_с+ U_БЭmcosи_э

;

где Е_с — напряжение среза.

В случаях, когда значение напряжения среза в справочниках не приводится, его можно найти по идеализированным (спрямленным) характеристикам транзистора или ориентировочно принять равным Е_с=(0,1…0,2)В (полярность Е_с зависит от типа транзистора: для транзисторов p-n-p на базу подается отрицательное, а для транзисторов n-p-n положительное напряжение смещения).

Находим коэффициент обратной связи К_св= U_БЭm/U_mk

;

Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо выполнить условие К_св? К_св min=1/S₀R_рез

;

Рассчитываем сопротивление резисторов R1и R2. Для этого задаемся током делителя, проходящим через эти резисторы

I_Д?5I_Бпост

;

где I_Бпост — постоянная составляющая тока базы выбранного транзистора. Величину I_Бпост можно найти по формуле

I_Бпост=I_Kпост/h_21Э

;

(h_21Э — статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора выбранного типа в схеме с общим эмиттером).

Зная I_Д, находим R2 по формуле

R₂= U_БЭсм/ I_Д

;

Поскольку ток делителя на много превышает ток базы транзистора, последний не изменит существенно ток, протекающий через резистор R1. поэтому

R₁=(E_k-U_БЭсм)/I_Д

;

Мощность, рассеиваемая на резисторах R1 и R2, соответственно равна P_R1=I²_ДR₁; P_R2=I²_ДR₂. С учетом этих значений выбираем стандартный тип резисторов R1 и R2 по шкале номинальных сопротивлений резисторов.

Находим емкость разделительного конденсатора С1 С₁?(10…20) С_э, где С_э — емкость эмитерного перехода транзистора.

С1 = 15· 70 Пф = 1 нФ Элементы цепочки термостабилизации R₃C₂ определяются так же, как и при расчете избирательного усилителя на транзисторе

R₃?U_Э/I_Эпост

;

где U_Э падение напряжения на резисторе эмиттерной стабилизации (порядка (0,7…1,5)В); I_Эпост — постоянный ток эмиттера (I_Эпост?I_Кпост).

Емкость конденсатора С2 равна С2?(15…30)10³/f_pR₃

;

Где С2 выражается в микрофарадах; f_p — мегагерцах; R₃ — в килоомах Стандартные значения R₃ и С2 выбираются по шкале нормальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов

3. Определяем параметры контура.

Добротность нагруженного контура подсчитывается по формуле

Q'=Q (1-з_к)

;

где з_к — КПД контура.

Находим минимальную общую емкость контура С_к min по приближенной формуле С_к min?(1…2)л_р

;

л_р — рабочая длина волны колебаний (л_р=с/f_p, где с — скорость света), м; С_к min выражается в пикофарадах).

В общую емкость контура С_к min входят емкость конденсатора С3 (рис. 9.2 а) и выносимые (паразитные) емкости: выходная емкость транзистора, емкость катушки контура, емкость монтажа и др. Общая величина вносимой емкости С_вн обычно составляет десятки пикофарад. Следовательно, емкость конденсатора контура С3 мажет быть найдена по формуле С₃? С_к min-С_вн

;

Вполне понятно, что формула позволяет установить лишь ориентировочное значение емкости С3; более точное значение определяется в процессе настройки схемы.

Рассчитываем общую индуктивность контура L_k

L_k=0.282л²_p/С_к min

;

где L_k выражается в микрогенри; л_р — в метрах; С_к min — в пикофарадах.

Определим волновое (характеристическое) сопротивление контура с=10³

;

(с выражается в омах; L_k — в микрогенри; С_к min — в пикофарадах.

Находим сопротивление потерь контура

R_п=с/Q^'

;

Рассчитываем сопротивление, вносимое в контур

R_вн= R_пз_к/(1-з_к)

;

Полное сопротивление контура равно

R_K= R_п+ R_вн

;

Определяем амплитуду колебательного тока в нагруженном контуре

I_mk=

;

Находим величину индуктивности L2 связи контура с базой транзистора (приложение)

L₂=K_свL_k

;

Определяем величину индуктивности связи контура с коллектором транзистора

L₁=L_k-L₂

;

4. Расчет аттенюатора Схема аттенюатора на основе одного трехдецибельного моста представлена на рисунке 6. Вход и выход являются взаимно развязанными плечами. Мощность, поступающая на вход аттенюатора, делится поровну между плечами моста, к которым подключены p-i-n — диоды. Падающая мощность частично поглощается диодами, частично отражается. Отраженные сигналы складываются синфазно на выходе и противофазно на входе. Аттенюатор оказывается согласованным с генератором при любых сопротивлениях диодов.

четырехканальный реограф транзисторный Рисунок 6 — Схема аттенюатора В схеме будем использовать p-i-n — диод 2А503А, имеющий подходящие электрические параметры и конструктивное исполнение. Внешний вид диода показан на рисунке 7.

Рисунок 7 — Внешний вид диода АА721А Необходимым требованиям отвечает двухшлейфный направленный ответвитель, представляющий собой два отрезка линии передачи, соединенных между собой двумя шлейфами, длина которых равна четверти длины волны в линии (рисунок 8,9).

Рисунок 8 — Топология двухшлейфного направленного ответвителя Рисунок 9 — Топология двухшлейфного направленного ответвителя В данном ответвителе

Ом, а Ом.

При Z_в = 35,35 Ом, ширина микрополосковой линии W = 2,13 мм, длина волны в линии

мм,

мм.

При Z_в = 50 Ом, ширина микрополосковой линии W = 1,01 мм, длина волны в линии

мм,

мм.

Требуется рассчитать блокировочный дроссель L2 и блокировочную емкость С1, а также разделительные емкости С2 и С3.

где .

нГн.

Выберем L2 = 22нГн.

Емкости выбираем из условия:

;

Ф.

Выберем С_бл = 4,7 пФ.

Разделительные емкости найдем из условия:

Ом.

Тогда

Ф.

Выберем С_р = 47 пФ.

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен реограф 4-РГ-1. Были отображены его структурная и принципиальная схемы, внешний вид, технические данные. Подробно описан принцип работы прибора, а так же принцип измерения и построения реограммы.

1. Кулаичев А. П. Компьютерная электрофизиология в клинической и исследовательской практике. М.: НПО, 1999

2. http://lainslav.narod.ru/med.files/reograf.htm

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: МИР, 1982

4. Маята В. С. Диагностическая и терапевтическая техника. М.: Медицина, 1969