Типы преобразователей и приборов - динамика сердечно-сосудистой системы
Значительное количество различных типов чувствительных устройств (датчиков) было предложено именно в последние годы. В основной массе их используется регистрация изменений трех основных электрических свойств, а именно: сопротивления, индуктивности и емкости. Так, например, если заполнить тонкостенную резиновую трубочку жидкостью, проводящей электрический ток (ртутью или солевым раствором), и оба конца жидкости присоединить к проводам, то натяжение трубки будет удлинять столб жидкости и уменьшать ее поперечное сечение.
РИС. 2.3.
Достижения современной электронной техники дают возможность производить электрические измерения неэлектрических величин: давлений, перемещений, размеров и т. д. Эти явления воспринимаются датчиками, т. е. устройствами, в которых
указанные воздействия вызывают изменение емкости, индуктивности или электрического сопротивления. Примеры использования этих устройств будут приведены в следующих разделах книги.
Оба эти фактора повышают сопротивление электрическому току, протекающему через жидкость (см. рис. 2.3,А). От такого простого датчика можно получить достаточно много полезной и точной информации. Он может быть использован, в частности, для получения данных об изменении растяжения стенок камер сердца или окружности артерий (см. рис. 2.8). Повышение электрического сопротивления возникает и при растяжении тонкой проволочки, жестко связанной с мембраной манометра (см. рис. 2.5). Подобные чувствительные к растяжению проволочки, соединенные с металлическими зажимами, могут укрепляться и на поверхности сердца для того, чтобы измерять силы, развивающиеся во время сокращения. Чувствительность и надежность этих датчиков сильно возрастают при включении их в мостик Уитстона (рис. 2.3,А).
Индуктивность катушки, через которую пропущен электрический ток, может изменяться при смещении внутри ее металлического стержня (рис. 2.3,Б). Такие приспособления могут быть использованы как датчики, регистрирующие изменения размеров, так как они реагируют на изменение положения сердечника при его колебаниях (см. рис. 2.8). Комбинация трех катушек— дифференциальный преобразователь— в высшей мере повышает чувствительность датчика и может быть эффективно использована для регистрации весьма слабых смещений мембраны манометра (см. рис. 2.5 и 2.7). Пара катушек проволоки, расположенных одна против другой на малом расстоянии, может также служить датчиком, определяющим размеры. Так, магнитное поле, возникающее в одной катушке при пропускании через нее тока, благодаря явлениям электромагнитной индукции вызывает появление тока в соседней катушке, величина которого выражается нелинейной функцией расстояния между катушками.
Явления электромагнитной индукции используются также в электромагнитных флоуметрах. Если сосуд с протекающей через него кровью поместить в магнитное поле, то в токе крови как в движущемся проводнике второго рода возникает разность потенциалов, пропорциональная скорости течения крови (см. также рис. 2.13,А). Емкость конденсаторов, состоящих из двух плоских пластинок, повышается, если пластинки смещаются ближе друг к другу, и это позволяет регистрировать колебания мембраны манометра, измеряющего давление (см. рис. 2.5). Относительные движения нагруженных пластинок, ориентированных параллельно друг другу, вызывают изменения емкости, которые можно измерить и использовать для определения величины смещений различных структур. Пьезоэлектрические кристаллы развивают потенциалы, когда они смещаются под влиянием давления, что также может быть использовано в специальных типах датчиков. Они применяются как чувствительные элементы для измерения внешних сил, вызывающих смещения. Так, например, очень малые кристаллы, связанные с мембраной, могут регистрировать колебания давления (см. рис. 2.7). С другой стороны, высокочастотная пульсация напряжения электрического тока, пропущенного через противоположные стороны этого кристалла, вызывает высокочастотные звуковые колебания (ультразвук), который сегодня используют для зондирования сердечно-сосудистой системы и других внутренних органов (см. рис. 2.17).
Таким образом, все типы электрических преобразователей способны тем или другим способом уловить смещения, возникающие при прямом действии механических сил. Использование их как датчиков, определяющих изменение размеров, ограничено возможностью прямой фиксации их на том или ином органе (см. рис. 2.8). Они широко применяются, скажем, во время хирургических операций у человека, в острых экспериментах на животных или в хронических опытах с предварительной имплантацией датчиков. Энергия различных видов волн и колебаний может быть использована для того, чтобы изучать внутренние органы путем прямого преобразования энергии во многих случаях и без каких- либо механических посредников. Картина на экране, продуцируемая рентгеновскими лучами, проникающими через тело, представляет собой, так сказать, наиболее простой способ изучения позиций, размеров, теней и смещения внутренних органов. Ультразвуковые лучи с частотами от 2 до 20 млн. циклов в секунду находят широкое применение при определении локализации и регистрации смещений внутренних органов или движения крови, что позволяет определить локализацию смещения или скорость кровотока без имплантации датчиков и без всякого механического проникновения в организм. Ультразвуковые и рентгеновские устройства хороши для исследования внутренних органов у человека в условиях полной безопасности для организма. Результаты использования этих приборов в физиологических и диагностических исследованиях подробно изложены в следующих разделах этой книги, посвященных обзору специальных устройств, применяемых в биологических и медицинских исследованиях.
В табл. 2.1 кратко приведены основные методы определения первичных физических величин.
Величина | Физический эффект | Примеры и разъяснения | ||
Температура | Термоэлектрический | Термопара Изменение емкости | ||
Смещение | Термохимический Пироэлектрический | Жидкие кристаллы(химические изменения, возникающие при сдвигах температуры) | ||
Сила | Эластическое смещение | Первичное смещениеэластической камеры | ||
Величина | Физический эффект | Примеры и разъяснения | ||
Давление | Эластическое смещение Баланс сил | Смещение диафрагмы-трубка Бурдона- преобразователи, определяющие смещение | ||
Кровоток | Разность давлений | Дифференциальныйманометр с отверстием | ||
