ДАТЧИКИ

ДАТЧИКИ (первичные измерительные преобразователи) — конструктивно обособленное звено измерительного прибора или информационного канала, осуществляющее энергетическую связь контролируемого объекта с измерительной системой. Д. предназначены для восприятия контролируемой величины и преобразования ее в сигнал, удобный для передачи на вторичную (регистрирующую) аппаратуру с целью его преобразования, обработки, представления и управления. Вторичная аппаратура представляет собой электрические, реже пневматические и гидравлические приборы.

В мед. практике Д. используют при различных мед.-биол, исследованиях для измерения физиол, показателей организма, выражающихся непосредственно через соответствующие физ. величины (температура, давление, скорость и др.), регистрации энергетических проявлений биол, процессов и актов, не имеющих однозначных физ. эквивалентов (пульс, перистальтика, глотание, мигание и др.), определения свойств биол, тканей и структур (цвет, электропроводность, прозрачность и др.), а также специфических биол, показателей (чувствительность, биохим, процессы и др.).

Первые Д. представляли собой различные съемные устройства, преобразовывавшие преимущественно механические сигналы в пневматические, затем появились Д. с электрическим выходом — контактные устройства, замыкающие электрическую цепь в ответ на движения объекта (актографические Д.), микрофоны для фонокардиографии (см.), термопары для измерения температуры (см. Термометрия). Совершенствование Д. началось в 20-е годы в связи с внедрением в практику физиол, исследований вторичной измерительной аппаратуры, усилительной и универсальной осциллографической техники (см. Осциллография). Среди современных регистрирующих приборов основное место занимает электрическая и электронная аппаратура (см. Электродиагностика). Поэтому преобразование величин различной физ. природы производят гл. обр. в электрическое напряжение или ток, что обеспечивает точное и быстрое измерение, передачу на расстояние (см. Телеметрия), разностороннюю обработку информации, а также использование ее для автоматического управления биол, процессами.

Схемы принципов действия некоторых датчиков, характеризующие энергетические связи объекта исследования с чувствительным элементом датчика (примеры клинического применения)
Схемы принципов действия некоторых датчиков, характеризующие энергетические связи объекта исследования с чувствительным элементом датчика (примеры клинического применения): а — объект исследования является естественным источником энергии, датчик измеряет энергетический поток собственного источника энергии объекта; 1 — объект исследования (сердце) с источником энергии (вибрирующие структуры сердца), 2 — энергетический поток (звуковые колебания в тканях организма), 3 — чувствительный элемент датчика (мембрана фонокардиографического микрофона); б — объект исследования является носителем привнесенной извне энергии (например, 131I), датчик измеряет энергетический поток с объекта исследования, депонировавшего носитель энергии; 1 — объект исследования (щитовидная железа) с источником энергии (введенное радиоактивное вещество, Например 131I), 2 — энергетический поток (радиоактивное излучение), 3 — чувствительный элемент датчика (детектор радиоактивного излучения); в — объект исследования является преобразователем энергетического потока, поступающего с внешнего источника, датчик измеряет интенсивность преобразованного объектом энергетического потока; 1 — объект исследования (кровеносные сосуды пальца руки), 2 — чувствительный элемент датчика (прибор, реагирующий на колебания интенсивности света, вызванные пульсацией сосудов), 3 — энергетический поток (поток света), 4 — внешний источник энергии (электрическая лампочка); г — объект исследования— пульсирующая поверхность тела (1);, в зависимости от приближения или удаления пульсации от чувствительного элемента датчика (измерителя высокочастотного тока— 4) поток энергии (3), идущий от источника энергии (высокочастотного генератора — 2), изменяет свою интенсивность, что воспринимается чувствительным элементом и передается на регистрирующее устройство.

Д. испытывает различные внешние воздействия (тепло, свет, вибрации, влажность, гравитация и т. д.), но имеет специфическую чувствительность к воспринимаемому им (входному) сигналу, представляющему собой энергетический поток той или иной физ. природы (механической, электрической, тепловой, световой и т. п.), в каждом отдельном случае различно сформированный во времени и по интенсивности (колебания, импульсы, серия импульсов и т. д.). Характер воспринимаемой информации существенно зависит от формы передачи сигнала, к-рая определяется взаимодействием источника энергии, объекта исследования и датчика. Выделяют три основных формы передачи информации, при которых Д. воспринимает энергетические проявления объекта (организма) — биоэлектрические потенциалы (см.) и биотоки, давления и расходы, силы и перемещения, звуковое давление (рис., а) и т. д.; энергию, привнесенную в объект извне (радиоактивная — рис., б, тепловая и др.) и используемую для количественной и качественной оценки различных процессов, в т. ч. для изучения движения потока и распределения веществ в организме; энергетический поток от внешнего источника, прошедший через объект и характеризующий его передаточные свойства — прозрачность (рис., в), цвет, электрическое или акустическое сопротивление, электрическая емкость (рис., г) и др.

В соответствии с видом энергии входного сигнала (электрическая, механическая, тепловая, лучевая, химическая, световая и т. д.) Д. характеризуют как механо-, термо-, фото- или хемоэлектрические. С их помощью воспринимают информацию о явлениях и свойствах, соответствующих этим видам энергии (табл.).

Некоторые клинико-физиологические методы исследования организма, основанные на преобразовании и измерении его различных физических величин при помощи датчиков

Методы исследования, основанные на преобразовании измерении

Физические величины

Компонентов энергии

Пассивных параметров

компоненты энергии (мощности)

Пассивные параметры

Электрография (см. Электрокардиография, Энцефалография, Миография и др.)

Реография (см.)

Электродвижущая сила (напряжение), ток

Электрическое сопротивление (импеданс), емкость, индуктивность

Магнитокардиография (см. Кардиография)

~

Магнитодвижущая сила, магнитный поток

Термометрия (см.), калориметрия (см:)

Термоконвективное определение скорости кровотока (см.Кровообращение)

Температура, тепловой поток (количество тепла)

Теплопроводность, теплоемкость

Динамометрия (см. Мышечная работа), кардиография (см.), сфигмография (см.), измерение скорости кровотока (см. Кровообращение)

Измерение внутриглазного давления (см. Тонография, Тонометрия)

Сила, скорость, перемещение, момент, угловая скорость, угловое перемещение, давление, объемная скорость

Эластичность, растяжимость, гидравлическое и пневматическое сопротивление

Фонокардиография (см.)

Эхография (см. Ультразвуковая диагностика)

Звуковое давление, акустический поток

Акустическое сопротивление, отражательная способность

Радиационная термометрия, тепловидение (см.Термометрия)

Фото- и электроплетизмография (см. Плетизмография), оксигемография (см.) и др.

Световой поток (мощность)

Оптическая плотность, отражательная способность

Полярография (см.), pH, pCO2-, pO2-метрия (см.Кислотно-щелочное равновесие)

Кондуктометрия (см.)

Электрохимический потенциал, ионный ток

Ионная проводимость

Гамматопография (см. Радиоизотопная диагностика)

Рентгеноденситометрия (см.)

Энергия частицы, количество частиц (в единицу времени)

Рентгеновская плотность


Д. является входным звеном измерительного информационного прибора (системы) и от него зависит качество получаемой информации. Поэтому к Д. предъявляются высокие метрологические требования, главным из которых является точность (статическая и динамическая) — количественное соответствие значения выходного сигнала входной величине. Статическая точность выражается через две основные метрологические характеристики — диапазон и погрешность измерения. Под диапазоном понимают область значений входной величины, в пределах к-рой обеспечивается ее измерение с заданной (паспортной) погрешностью, характеризующей отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность обычно выражается в процентах от диапазона измерения (приведенная погрешность) и характеризует класс измерительного прибора (1 % — первый класс, 2% — второй класс и т. д.). Высокие требования предъявляются и к качеству измерения быстроменяющихся величин (динамическая точность) — звуковые явления, давления, силы, расходы и т. п. Важнейшей динамической характеристикой является амплитудная частотная характеристика, определяющая частотный диапазон изменения входного сигнала, в к-ром погрешность преобразования по амплитуде укладывается в заданных пределах.

Высокая точность (малая погрешность) обеспечивается, как правило, путем многоступенчатого преобразования сигнала. Поэтому современные Д. изготовляют в виде единого блока преобразователей. Структурной основой Д. является измерительный канал, служащий для восприятия и преобразования сигнала, поступающего с объекта. Д. может содержать и канал формирования энергетического потока, если для измерения используют внешний источник энергии; создаваемое энергетическое воздействие на живой объект должно быть ниже порога его чувствительности к этому воздействию.

Главными звеньями основного измерительного канала Д. являются чувствительный элемент, или детектор, и промежуточный преобразователь. Чувствительный элемент воспринимает сигнал с объекта в его натуральной энергетической форме и преобразует его в параметр или величину, удобную для последующего преобразования. Промежуточный измерительный преобразователь трансформирует сигнал чувствительного элемента в форму, удобную для усиления и формирования выходного сигнала.

Д., в которых энергия входного сигнала преобразуется при помощи чувствительного элемента (напр., фото- или пьезоэлемента) в напряжение или ток, называют энергетическими. Роль промежуточного преобразователя в этом случае выполняет усилитель, формирующий выходной сигнал. Д., в которых энергия входного сигнала используется только для изменения пассивного параметра той или иной схемы (напр., поворачивает ротор переменного резистора или конденсатора), называют параметрическими. Промежуточный преобразователь в этих Д. изменяет сопротивление или емкость в напряжение или ток.

В мед. практике широко применяются как энергетические (пьезоэлектрические, индукционные, ионизационные), так и параметрические (емкостные, резистивные, индуктивные) Д. для измерения или регистрации параметров кровообращения (см. Кровообращение, методы исследования), дыхания, мышечной активности (см. Баллистокардиография, Кардиография, Плетизмография, Сфигмография), а также активных сокращений сердца, скелетных мышц и мышц полостных органов (см. Динамокардиография, Пневмография).

Д. могут содержать также логические, решающие, корректирующие, компенсационные и другие звенья и цепи. Канал формирования потока обычно включает излучатель энергии и формирователь энергетического потока. Если в качестве детектора энергии используется обратимый преобразователь, напр, пьезоэлемент, то он одновременно может выполнять и функцию излучателя.

Сигнальная связь Д. с объектом осуществляется через приемники — катетеры, щупы, пневмоприемники и т. д.; для связи с вторичной аппаратурой имеется кабель (трубопровод). Для ориентации Д. по отношению к объекту используются штативы, устройства для механического сканирования, слежения и т. п.

Передача информации с объекта на воспринимающее звено прибора в ряде случаев подвержена случайным возмущениям вследствие активности живого объекта, нестабильности условий передачи сигнала в зоне контакта Д. с объектом и под влиянием других факторов, ведущих к искажению данных (артефактам). Совокупность этих факторов определяет так наз. методическую погрешность измерения. В целях повышения точности измерения Д. или его воспринимающее звено размещают непосредственно на органе или в полости, в которых необходимо выполнить измерение, применяя аппликации: или зондирование. Однако эти вмешательства небезразличны для организма. Поэтому наиболее рациональным решением проблемы точности и безопасности исследований при помощи Д. является, с одной стороны, повышение точности нетравматичных методов исследования (фонокардиография, тетраполярная реография и др.) путем коррекции погрешностей, с другой — углубленный анализ и автоматическая обработка полученных данных при помощи ЭВМ с целью выделения наиболее важных признаков (анализ сердечного ритма, сигналов электрической активности мышц, спирограмм и т. д.). Эти два пути определяют развитие таких высокоинформативных и безопасных методов исследования, как тепловидение, камерная пневмография, светолучевая и электроемкостная актография, а также сравнительно малотравматичных методов — звуковой интероскопии и гамматопографии. Развитие средств первичного съема информации открывает широкие возможности для оснащения медицины аппаратурой с использованием микроминиатюрных Д., вводимых или вживляемых в органы, техникой для бесконтактных исследований и точными многофункциональными измерительными комплексами.


Библиография: Агейкин Д. И., Костинa E. Н. и Кузнецовa H. Н. Датчики контроля и регулирования, М., 1965; Бабский E. Б. Применение принципов электрической регистрации механических величин в физиологических исследованиях", в кн.: Совр, методы исслед. функций серд.-сосуд. системы, под ред. Е. Б. Бабского и В. В. Парина, с. 5, М., 1963; Туричин А. М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин, Л., 1975, библиогр.


Е. К. Лукьянов.


Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание