Узлы и элементы биотехнических систем

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

УЗЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ 

БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2018

УДК 615.47(075)
ББК 34.7я7

У34

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

директор НПФ «Мединструмент» канд. техн. наук В. П. Вейнов

д-р мед. наук, проф. С. С. Ксембаев

У34

Авторы: М. С. Лисаневич, Э. Р. Рахматуллина, 
Р. Ю. Галимзянова, И. Н. Мусин
Узлы и элементы биотехнических систем : учебное пособие /
М. С. Лисаневич [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. 
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 88 с.

ISBN 978-5-7882-2330-8

Рассмотрены классификации медицинской техники, основные узлы 

сопряжения медицинской техники с биообъектом, рабочие узлы, функциональные устройства на операционных усилителях для медицинских изделий.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 

12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» по профилю «Инженерное 
дело в медико-биологической практике».

Подготовлено на кафедре медицинской инженерии.

ISBN 978-5-7882-2330-8
© Лисаневич М. С., Рахматуллина Э. Р., 

Галимзянова Р. Ю., Мусин И. Н., 2018

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 615.47(075)
ББК 34.7я7

Содержание

Глава 1. КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ. 
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО 
ПРИБОРА
5

1.1. Классификации медицинской техники.
5

1.2. Структурная схема съема, передачи и регистрации 
медико-биологической информации
7

1.2.1. Устройства съема в медицинском аппарате. Электроды
9

1.2.2. Устройства съема в медицинском аппарате. Датчики
12

1.2.3. Усилители
14

1.2.4. Устройства отображения и регистрации медицинской 
информации. Регистраторы.
17

1.3. Основные характеристики медицинского прибора
19

1.4. Надежность медицинской аппаратуры
20

Тренировочные задания
22

Тестовые задания
24

Глава 2. УЗЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ 
С БИООБЪЕКТОМ, РАБОЧИЕ УЗЛЫ
26

2.1. Входные цепи усилителей биопотенциалов
26

2.2. Дифференциальные каскады
26

2.3. Усилители с гальванической развязкой
32

2.4. Подключение усилителей биопотенциалов к микроэлектродам
38

2.5. Генераторы сигналов. Функциональные генераторы
40

2.6. Модуляторы
44

2.7. Особенности технологического процесса проектирования 
средств медицинской техники с использованием САПР
47

2.8. Основные объекты медицинских изделий, проектируемых 
с помощью САПР
48

Тренировочные задания
50

Тестовые задания
51

Глава 3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ 
ИЗДЕЛИЙ
54

3.1. Линейные узлы математической обработки биологических 
сигналов
54

3.1.1. Схемы масштабирования и аналоговые сумматоры
54

3.1.2. Усилители переменного тока
56

3.2. Активные электрические фильтры
57

3.3. Линейные преобразователи сигналов
63

3.4. Нелинейные преобразователи аналоговых сигналов
66

3.4.1. Сравнивающие устройства (компараторы)
66 

3.4.2. Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи
71

3 4.3. Выпрямители
3.4.4. Множительно-делительные устройства

73
74

3.5. Элементы аналоговой памяти
78

3.5.1. Устройства выборки–хранения
78 

3.5.2. Амплитудные (пиковые) детекторы
82

Тренировочные задания
85

Тестовые задания
85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
88 

Глава 1

КОМПОНЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ. 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО 

ПРИБОРА

1.1. Классификации медицинской техники

Всю медицинскую технику можно разбить с точки зрения за
дачи, решаемой в медицинском технологическом процессе, на три 
большие группы: аппаратуру, оборудование и инструменты [1].

Медицинский прибор – техническое устройство, предназна
ченное для диагностических или лечебных измерений (медицинский 
термометр, электрокардиограф и др.).

Медицинский аппарат – техническое устройство, позволяющее 

создавать энергетическое воздействие (часто дозированное) терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧтерапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций. Медицинская 
аппаратура по виду использования энергии делится на электрическую и 
механическую медицинскую аппаратуру. В зависимости от направления потока энергии всю электромедицинскую аппаратуру можно разделить на две части – аппаратуру воздействующую и аппаратуру воспринимающую. В то же время электромедицинская аппаратура по функциональному признаку, т. е. в зависимости от целей, для которых она используется, может быть разделена на терапевтическую и диагностическую. Изделия терапевтической аппаратуры принято называть аппаратами, изделия диагностической аппаратуры – приборами.

Воспринимающие диагностические приборы дают информа
цию о различных процессах в организме – генерируемых тканями и 
органами биопотенциалах, звуковых тонах сердца, температуре тела и 
др. Воспринимающие диагностические приборы аналогично любым 
другим измерительным приборам должны оказывать минимальное 
влияние на исследуемый процесс и передавать информацию с наименьшими искажениями. Воспринимающие приборы по виду воспринимаемой энергии разделяются на световую, химическую, тепловую, 
электрическую, механическую. На рис. 1.1 показана классификация 
медицинской техники.

Рис. 1.1. Классификации медицинской техники

Воздействующие диагностические приборы дают необходи
мую информацию по реакции пациента на определенное воздействие 
(например, диагностические электростимуляторы) либо по внесенному телом пациента возмущению в поток энергии (рентгеновское просвечивание, ультразвуковая эхография и т. п.). При диагностике воздействующими приборами стремятся, как правило, снизить до минимально возможного уровня энергию воздействия, чтобы исключить 
побочные вредные для организма эффекты. Предел такому снижению 
кладет чувствительность организма к воздействию либо чувствительность метода регистрации внесенных возмущений.

Воздействующие терапевтические аппараты и диагностиче
ские приборы в зависимости от формы, в которой используется энергия, направленная на пациента, делятся на воздействующие электрической энергией и воздействующие механической энергией (по сложившейся терминологии многие диагностические воздействующие 
приборы принято называть аппаратами). Аппаратуру, использующую 
для воздействия механическую энергию, можно разделить по агрегатному состоянию рабочего тела, т. е. тела, непосредственно соприкасающегося с пациентом. Рабочее тело может быть твердым, жидким, 
газообразным. Соответственно можно выделить электромедицинские 
механические, гидравлические и газовые аппараты и приборы. К механическим относятся ультразвуковые терапевтические аппараты и 
диагностические приборы, аудиметры, вибромассажерные аппараты 
и др. К гидравлическим относят аппараты для искусственной вентиляции легких с электроприводом, к газообразным – ультразвуковые 
распылители.

1.2. Структурная схема съема, передачи и регистрации 

медико-биологической информации

Каждый медицинский прибор для измерения физиологических 

показателей может быть разделен на пять основных частей: 

– устройство съема;
– усилитель;
– передатчик;
– приемник;
– регистрирующий прибор.
В некоторых приборах эти компоненты выделить легко, в дру
гих функции различных блоков разделить трудно. В последующих 

разделах мы рассмотрим каждый из этих компонентов и объясним 
принцип их работы.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико
биологической информации изображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема съема, передачи и регистрации 

медико-биологической информации

Эта схема является общей и отражает всевозможные реальные 

системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. 

Устройство съема в большинстве случаев должно быть при
креплено к телу пациента или даже введено в некоторый орган, поэтому его часто выделяют из прибора. Крепление преобразователя 
к телу часто определяет возможность правильного функционирования 
прибора.

К устройствам съема относятся электроды и датчики.
Электрический сигнал, получаемый от большинства преобра
зователей, мал, поэтому его следует усилить. Усиление осуществляется с помощью электронных приборов, т. е. приборов, в которых осуществляется управление электронными потоками.

Блок обработки сигналов в приборе может состоять только из 

одного простого усилителя, а может включать и много устройств, которые модифицируют или обрабатывают сигнал различными способами.

Обычно блоки обработки сигналов встраивают в основной 

корпус прибора или в стойку системы. В большинстве случаев ручки 
органов управления прибором находятся на передней панели, что позволяет оператору настраивать или отлаживать определенные характеристики прибора. Иногда органы управления для защиты их от «любителей покрутить ручки» располагают в защищенном месте.

Результаты измерений должны быть представлены в такой 

форме, чтобы человек мог воспринимать их. Та часть прибора, которая 
преобразует модифицированный электрический сигнал, появляющийся 
на выходе блоков обработки сигнала, в форму, удобную для восприятия, называется дисплеем или устройством считывания результатов. 
Дисплей может иметь вид какой-либо индикаторной лампы, стрелочного прибора, зуммера сигнала тревоги, устройства записи на бумажную 
ленту, экрана осциллографа (на основе электронно-лучевой трубки, 
аналогичной той, которая используется в телевизорах) и т. д.

Иногда в одном и том же приборе могут использоваться не
сколько различных дисплеев. Например, монитор состояния пациента 
может отображать ЭКГ на экране осциллографа, частоту сокращения 
сердца на стрелочном приборе и подавать сигнал о наступлении опасного состояния с помощью зуммера.

В структурной схеме X означает некоторый измеряемый пара
метр биологической системы, например давление крови. Буквой Y 
обозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации о биологической системе должна быть известна зависимость Y = f(X) [2].

1.2.1. Устройства съема в медицинском аппарате. Электроды

Электроды – это проводники специальной формы, соединяю
щие измерительную цепь с биологической системой. При диагностике 
электроды используются не только для съема электрического сигнала, 
но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия 
(например, в реографии). В медицине электроды используются также 
для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при 
электростимуляции [2].

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять» 

электродами, так как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: 
давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, в этих случаях используют датчики (измерительные 
преобразователи). 

К электродам предъявляются требования:
– они должны быстро фиксироваться и сниматься;
– иметь высокую стабильность электрических параметров;
– не искажать сигнал;
– не раздражать биологическую ткань и т. п.