РЕОПЛЕТИЗМОГРАФ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Инж. В. БОЛЬШОВ, инж. В. СМИРНОВ
При оценке состояния сердечно-сосудистой системы человека современная медицина и биология широко использует методику так называемой, импедансной реоплетизмографии (регистрации изменений электрической проводимости тела человека). Реоплетизмография используется при исследовании как центрального, так и периферического кровообращения. Достоинство этого метода состоит в том, что само исследование практически не вносит изменений в состояние исследуемого объекта.
Электрическое сопротивление между какими-либо участками тела человека представляет собой комплексное объемное сопротивление, упрощенная эквивалентная схема которого для переменного тока приведена на рис. 1. Емкость Сэ-т возникает между поверхностями электродов и тканями, прилегающими к внутренней стороне кожи. Кожа, особенно эпителий, имеет весьма высокое удельное сопротивление и представляет собой диэлектрик конденсаторов Сэ-т. Ткани, лежащие под кожей, условно принимаются .однородными по структуре. Они представлены в виде элементов Ст и Rт. Емкости конденсаторов Сэ-т зависят от диэлектрических свойств кожи, ее состояния (например, от увлажненности) и площади наложенных электродов.
Puc.1
Величина емкости определяется величиной поляризационного аффекта, который уменьшается с ростом частоты. На частотах выше 80- 100 кгц явление поляризации практически не наблюдается, а емкостное сопротивление конденсаторов Ст невелико. Можно считать поэтому, что проводимость ткани в области этих частот имеет лишь активную составляющую.
Абсолютные значения сопротивления живой ткани нестабильны, а зависят от целого ряда причин, которые часто трудно учесть. Вследствие этого представляют интерес. не абсолютные значения сопротивления, а его относительные изменения от какого-либо начального уровня.
В настоящее время можно считать доказанным, что электропроводность живой ткани определяется главным образом степенью ее кровенаполнения. Это объясняется тем, что кровь (главным образом ее плазма) обладает очень высокой электропроводностью. Поэтому по электропроводности живой ткани на высоких частотах можно судить о кровенаполнении отдельных органов или участков тела. Методика исследования называется реоплетизмографией, а иногда просто реографией.
Описываемый ниже прибор, названный реоплетизмографом, предназначен для исследований быстрых незначительных изменений электропроводности живой ткани, отражающих пульсовые колебания кровенаполнения, а также медленных (от 0 гц) изменений кровенаполнения, например, при дыхании. Реоплетизмограф представляет собой портативную приставку на транзисторах к какому-либо кардиографу (при записи пульсовых колебаний кровенаполнения). С выхода этой приставки напряжение можно подавать и на самописец (например, Н373).
Рабочая частота 150 кгц. Выход-нос напряжение не менее 2 мв при изменении сопротивления 50 ом. на 0,1%. Диапазоны частот выходного напряжения, снимаемого с выхода 1-4 0,2-150 гц, а с выхода 2-3 0-150 гц.
Принципиальная схема. Принцип действия реоплетизмографа иллюстрируется блок-схемой (рис. 2). Исследуемый участок живой ткани подключают к одному из плеч моста, питаемого переменным током частотой 150 кгц. Мост балансируют таким образом, чтобы напряжение ВЧ на его диагонали было минимально.
Puc.2
Изменения проводимости исследуемого объекта приводят к модуляции напряжения ВЧ на выходе моста по закону изменения электропроводимости исследуемого объекта. Модулированное ВЧ напряжение усиливается и детектируется. В результате детектирования выделяется модулирующее напряжение НЧ, которое подается на регистрирующее устройство.
Принципиальная схема реоплетизмографа приведена на рис. 3. Генератор ВЧ выполнен на транзисторе T1 по схеме с емкостной обратной связью. Колебательный контур включен в цепь коллектора транзистора, его резонансная частота определяется индуктивностью катушки L1 и общей емкостью конденсаторов С2 - С3. Глубина положительной обратной связи зависит от соотношения емкостей конденсаторов С2-С3 и сопротивления резистора R2. База транзистора заземлена по переменному току (через конденсатор С1).
Puc.3
Генератор, собранный по этой схеме, обладает высокой стабильностью частоты, конструкция его контурных катушек проста, а налаживание не вызывает затруднений, так как не приходится подбирать порядок включения выводов катушек.
С катушки L1 высокочастотное напряжение подается на измерительный мост. В левое, нижнее по схеме, плечо моста последовательно с элементами С13R5-R7 с помощью экранированного кабеля подключается исследуемый объект (условно обозначенный на схеме "Пациент"), С помощью потенциометра R4 ("Баланс") можно сбалансировать мост по активной составляющей, а с помощью конденсаторов С4-С11 - по реактивной составляющей.
В реальных условиях всегда наблюдаются как быстрые (пульсовые) колебания электропроводности, так и медленные, вызванные, например, дыханием. Амплитуда медленных колебаний, как правило, значительно больше, чем амплитуда пульсовых колебаний. Если работать в условиях точного баланса моста, то медленные изменения колебания могут привести к нарушению баланса, что, в свою очередь, приведет к изменению фазы выходного напряжения. Поэтому при балансировке переключатель П2 устанавливают в такое положение, при котором резистор R8 закорачивается, а индикатор баланса (микроамперметр) подключается к выходу детектора.
Результаты исследований можно получить в численном выражении. С этой целью последовательно с "Пациентом" (а иногда и параллельно ему) включают потенциометр, изменяя сопротивление которого калибруют чувствительность всего тракта устройства. Чаще всего применяют следующий метод калибровки: при изменении сопротивления в цепи "Пациента" на 0,05 ома амплитуда записи должна составлять 1 см. Чтобы исключить влияние переходного сопротивления контактов применяется схема калибровки, показанная на рис.3. Последовательно с "Пациентом" включен резистор R5, параллельно которому переключателем Вк1i подключается резистор R6, сопротивление которого в 200 раз больше, чем R5. При этом их общее сопротивление на 0,05 ома меньше, чем R5. При калибровке перед записью медленных колебаний параллельно R5 подключается резистор R7. Тогда общее сопротивление цепи уменьшается на 1 ом.
Напряжение с моста поступает на эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2, а затем на двухкаскадный усилитель, выполненный по каскодной схеме. Нагрузкой усилителя является контур L3C17, настроенный на частоту 150 кгц.
Детектор выполнен на полупроводниковых диодах Д1 - Д2.В результате использования двухполупериодного детектора приставка имеет симметричный выход. Постоянные времени разрядных цепей детектора выбраны такими, чтобы после детектирования выделялись составляющие сигнала с частотами до 150 гц. Со стороны низших частот постоянная времени определяется емкостями переходных конденсаторов С21 и С22 и входным сопротивлением последующих каскадов. При входных сопротивлениях 1 Мом, низшая частотная граница составляет около 0,2 гц на уровне - 3 дб.
К выходу детектора подключается микроамперметр, по минимальному отклонению стрелки которого балансируют мост перед началом измерения.
Конструкция и детали. Реоплетизмограф выполнен в прямоугольном металлическом кожухе с наружными размерами 50Х120Х180 мм. Все детали его, за исключением источников питания, смонтированы на монтажных платах, прикрепленных к верхней крышке, являющейся одновременно лицевой панелью. На лицевой панели размещены: микроамперметр, выключатели Вк1 - Вк3, переключатели П1, П2 и разъем для подключения кабеля "Пациент". Разъем для подключения прибора к регистрирующим устройствам расположен на задней панели. Все детали реоплетизмографа смонтированы на двух монтажных платах. На одной, помещенной в экран из жести, смонтирован генератор, на другой - усилитель, детектор и измерительный мост.
В приборе использованы транзисторы, имеющие В в пределах 30-50. Контурные катушки выполнены на сердечниках типа СБ-2а, намотаны проводом ПЭВ 0,1 и содержат: катушка L1-200 витков, катушка L2 - 80 витков, катушка L3 - 200 витков и катушка L4 - 100 витков.
Дроссель Др1 намотан на ферритовом кольце Ф-600, наружный диаметр которого 12 мм, и содержит 200 витков провода ПЭВ 0,1.
Резистор R4 обязательно должен быть проволочным, а резистор R5 составлен из трех параллельно включенных с сопротивлениями 27,27 и 91 ом. В качестве индикатора можно применить любой микроамперметр, чувствительность которого 50- 200 мка.
Образцы записей, полученных с описываемым реоплетизмографом, приведены на рис. 4.
Puc.4
Радио N 8 1966 г., c.43-44.