Предмет электроники и направление ее развития

государственный медицинский  университет

 

Кафедра «Биомедфизики, информатики с курсом математики»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа №1

тема:

«Предмет электроники  и направление ее развития»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

Электроника и направления ее развития.	Стр. 3
Основные группы электронных медицинских приборов и аппаратов.	Стр. 5
Электробезопасность медицинской аппаратуры.	Стр. 7
Надежность медицинской аппаратуры	Стр. 9
Усилители. Специфика усиления биоэлектрических сигналов	Стр. 10
Характеристика усилителей.	Стр. 11
Генераторы: их разновидности и назначение.	Стр. 12

 

 

1. Электроника и направления  ее развития.

Прогресс современной  медицины неразрывно связан с созданием  и эффективным применением новой медицинской техники, которая отличается широким использованием достижений электроники и микроэлектроники, компьютеров и информационных технологий. Многие НИИ и предприятия расширяют разработки и осваивают выпуск различных медицинских электронных приборов. Постоянно растет количество новейшей интеллектоемкой техники, поступающей в медицинские учреждения.

Электроника. Это понятие  широко распространено в настоящее  время. Являясь технической наукой, электроника основывается прежде всего  на достижениях физики. Можно смело сказать, что без электронной аппаратуры сегодня невозможна ни диагностика заболеваний, ни эффективное лечение. Термин "электроника" в значительной степени условный, ему трудно дать четкое определение. Правильнее всего, вероятно, под электроникой понимать область науки и техники, в которой рассматриваются работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.

Электронику можно подразделить на 3 крупные области:

• вакуумная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения электровакуумных приборов (электронные лампы, фотоэлектронные устройства, рентгеновские трубки);
• твердотельная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения полупроводниковых приборов;
• квантовая электроника - специфический раздел электроники, имеющий отношение к лазерам и мазерам.

Электроника - весьма динамичная отрасль науки и техники. На базе новых эффектов создаются электронные устройства, в том числе и такие, которые находят применение в биологии и медицине. Для примера рассмотрим эффект Джозефсона.

 

Английский физик Б. Джозефсон в 1962 году предсказал, что через очень тонкий слой диэлектрика (толщиной около  1нм), расположенный между двумя сверхпроводниками, сможет протекать электрический ток. Вскоре такое явление действительно было обнаружено. Если сила тока была меньше некоторого   критического  значения, то на диэлектрике не создавалось падении я напряжения, если же сила тока превышала критическое значение, то на диэлектрике возникало падение напряжения и контакт сверхпроводник – диэлектрик – сверхпроводник излучал электромагнитные волны. Недавно эффект Джозефсона стали применять для измерения индукции магнитного поля биотоков сердца. Применение электроники в медицине многообразны, это постоянно расширяющаяся область. В настоящее время многие традиционно «неэлектрические» характеристики – температура, смещение тела, биохимические показатели и др. – стремятся при измерениях преобразовать в электрический сигнал. Информацию, представленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстояние и надежно регистрировать. Разработчики электронных устройств стремятся модернизировать и сделать их более надежными и потребляющими меньше энергии, малогабаритными. Наиболее перспективная тенденция – миниатюризация электронных устройств. Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств было внедрение полупроводниковых диодов и триодов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2 – 3 элементов в 1 см³.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интегральных схем. Это микроминиатюрное электронные устройство, у которого все элементы (или их части) нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают два типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Путем термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элементами схемы. Это позволяет из пластины в 1 мм² создать схему, эквивалентную радиотехническому блоку, состоящему из 100 деталей и более.

Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на основании подложки. Используют также гибридные интегральные схемы – сочетание полупроводниковых и пленочных схем. Размеры отдельных элементов интегральных схем порядка 0,5 – 10 мкм, поэтому малейшие пылинки, соринки и т.п. могут повлиять на их работу. Это обязывает изготовление интегральных схем проводить в условиях повышенной чистоты окружающей среды. Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, получили название больших интегральных схем.

Создание  интегральных схем, миниатюризация электронных  устройств, являются одним из главных направлений развития современной электроники.

2. Основные группы электронных медицинских приборов и аппаратов.

Разделы электроники, в  которых рассматриваются особенности  применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Можно выделить следующие  основные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико-биологических целей:

• устройства для получения, передачи и регистрации медико-биологической информации (это большая часть диагностической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы, реографы и т.д.);
• электронные устройства, обеспечивающие дозирующие воздействие наорганизм различными физическими факторами (ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы;
• кибернетические электронные устройства: ЭВМ для переработки, хранения и автоматического анализа медико-биологической информации, устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием человека среды, электронные модели биологических процессов.

В настоящее время  широко используются медицинские системы  для индивидуального контроля состояния здоровья человека: мини-компьютерные системы и цифровые анализаторы, позволяющие оценивать показатели физического и психического состояния, прогнозировать их изменения, определять резервы организма, оценивать эффективность оздоровительных, спортивных и лечебных мероприятий. В состав таких систем входят микропроцессорные регистрирующие устройства, кардиографические электроды. Такие системы предназначены для анализа биологических ритмов организма человека, выделяемых из электрокардиосигнала в широкой полосе частот.

В ближайшем будущем найдут широкое применение такие технологии, как миниатюрные цифровые слуховые аппараты, в состав которых входит мощный процессор, который преобразует звуковой сигнал, чтобы обеспечить человеку любого возраста с нарушениями слуха такие же возможности для общения, какими обладает человек с нормальным слухом, в любой звуковой обстановке; автономное и компактное вживленное искусственное сердце, имплантируемое пациенту, аккумулятор которого размещается на теле больного; аппараты искусственного электронного зрения, состоящие из видеокамеры, установленной перед глазом пациента, радиопередатчика и специального микрочипа, который имплантируется непосредственно в глаз и заменяет ему часть сетчатки глаза. Следующим шагом электроника внедриться нам под кожу. Для того, чтобы конкурировать с постоянно возрастающими возможностями компьютеров, люди будут вынуждены прибегнуть к помощи генетических и компьютерных имплантантов. Уже сегодня существуют реальные технологии внедрения компьютеров в тело человека.

3. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

Одним из важных вопросов, связанных с использованием электронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопасность как для пациентов, так и для медицинского персонала. Больной вследствие различных причин (ослабленность организма, действие наркоза, отсутствие сознания, наличие электродов на теле и т.д.) оказывается в особо электроопасных условиях по сравнению со здоровым человеком. Медицинский персонал, работающий с медицинской аппаратурой, также находиться в условиях риска поражения электрическим током.

При работе с электронной  медицинской аппаратурой должны быть предусмотрены все возможные меры по обеспечению безопасности. Основное и главное требование – сделать недоступным касание частей аппаратуры, находящейся под напряжением. Для этого, прежде всего, изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под напряжением, друг от друга и  от корпуса аппаратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возможность случайного проникновения и касания внутренних частей аппаратуры пальцами, цепочками для украшений. Однако даже если части аппаратуры, находящейся под напряжением, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает полной безопасности, по крайней мере, по двум причинам:

1. Какой бы ни была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и аппаратов переменному току не бесконечно. Не бесконечно и  сопротивление между проводами электросети и земли. Поэтому при касании человеком  корпуса аппаратуры через тело человека пройдет некоторый ток, называемый током утечки.
2. Не исключено, чти благодаря порче рабочей изоляции (старение, влажность окружающего воздуха) возникает электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом – «пробой на корпус» и внешняя, доступная для касания часть аппаратуры – корпус – окажется под напряжением.

И в одном и в  другом случае должны  быть приняты  меры, которые исключали бы поражения током лиц при касании корпуса прибора или аппарата. К основным защитным мерам относятся заземление и зануление аппаратуры. Защитные заземления или зануления должны обеспечивать в установках с изолированной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека, при замыкании сети на заземленные части аппаратуры; в установках с заземленной нейтралью – автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети. Однако не всякая электромедицинская аппаратура надежно защищена заземлением или занулением. В зависимости от способа дополнительной защиты от поражения током питающей сети аппаратура делится на четыре класса.

Основные требования электробезопасности при работе с электромедицинской аппаратурой:

• не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;
• не работайте на влажном, сыром полу, на земле;
• не касайтесь труб (газ, вода, отопление), металлических конструкций при работе с электроаппаратурой;
• не касайтесь одновременно металлических частей двух аппаратов.

 

4. Надежность медицинской аппаратуры.

Медицинская аппаратура должна нормально функционировать. Врач, использующий медицинскую аппаратуру, должен иметь представление о вероятности отказа эксплуатируемого изделия, т.е. о вероятности порчи прибора (аппарата) или его частей, превышения или понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим условиям, становиться неработоспособным.

Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином надежность. Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов. В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса:

1. изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала.
2. изделия, отказ которых вызывает искажение информации о состоянии организма и окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала.
3. изделия, отказ которых снижает эффективность или задерживает лечебно-диагностический процесс в некритических ситуациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслуживающий персонал, либо приводит только к материальному ущербу.
4. изделия, не содержащие отказоспособных частей. Электромедицинская аппаратура к этому классу не относиться.