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) терапевти-
ческого, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧ-
терапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечить со-
хранение определенного состава некоторых субстанций. Медицинская 
аппаратура по виду использования энергии делится на электрическую и 
механическую медицинскую аппаратуру. В зависимости от направле-
ния потока энергии всю электромедицинскую аппаратуру можно разде-
лить на две части – аппаратуру воздействующую и аппаратуру воспри-
нимающую. В то же время электромедицинская аппаратура по функци-
ональному признаку, т. е. в зависимости от целей, для которых она ис-
пользуется, может быть разделена на терапевтическую и диагностиче-
скую. Изделия терапевтической аппаратуры принято называть аппара-
тами, 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 наи-
меньшими искажениями. Воспринимающие приборы по виду воспри-
нимаемой 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 внесенно-
му телом пациента возмущению в поток энергии (рентгеновское про-
свечивание, ультразвуковая эхография и т. п.). При диагностике воз-
действующими приборами стремятся, как правило, снизить до мини-
мально возможного уровня энергию воздействия, чтобы исключить 
побочные вредные для организма эффекты. Предел такому снижению 
кладет чувствительность организма к воздействию либо чувствитель-
ность метода регистрации внесенных возмущений.

Воздействующие терапевтические аппараты и диагностиче-

ские приборы в зависимости от формы, в которой используется энер-
гия, направленная на пациента, делятся на воздействующие электри-
ческой энергией и воздействующие механической энергией (по сло-
жившейся терминологии многие диагностические воздействующие 
приборы принято называть аппаратами). Аппаратуру, использующую 
для воздействия механическую энергию, можно разделить по агрегат-
ному состоянию рабочего тела, т. е. тела, непосредственно соприка-
сающегося с пациентом. Рабочее тело может быть твердым, жидким, 
газообразным. Соответственно можно выделить электромедицинские 
механические, гидравлические и газовые аппараты и приборы. К ме-
ханическим относятся ультразвуковые терапевтические аппараты и 
диагностические приборы, аудиметры, вибромассажерные аппараты 
и др. К гидравлическим относят аппараты для искусственной венти-
ляции 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, по-
этому 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 осуществляет-
ся с помощью электронных приборов, т. е. приборов, в которых осу-
ществляется управление электронными потоками.

Блок обработки сигналов в приборе может состоять только из 

одного простого усилителя, а может включать и много устройств, ко-
торые модифицируют или обрабатывают сигнал различными спосо-
бами.

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 поз-
воляет оператору настраивать или отлаживать определенные характе-
ристики прибора. Иногда органы управления для защиты их от «лю-
бителей 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 восприя-
тия, называется дисплеем или устройством считывания результатов. 
Дисплей может иметь вид какой-либо индикаторной лампы, стрелочно-
го 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 опас-
ного 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 измери-
тельном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистриру-
ющего 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, соединяющие 
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.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для 

съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь 
полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод–
кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего 
в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 1.3
(ℇбп – ЭДС источника биопотенциалов; r – сопротивление внутренних 
тканей биологической системы; R – сопротивление кожи и электродов, 
контактирующих с ней; Rвх – входное сопротивление усилителя 
биопотенциалов).

Из закона Ома, предполагая, что сила тока на всех участках 

контура одинакова, имеем [3]

𝜀бп = 𝐼𝑟 + 𝐼𝑅 + 𝐼𝑅𝐵𝑋 = 𝐼𝑅𝑖 + 𝐼𝑅𝐵𝑋
(𝑅𝑖 = 𝑟 + 𝑅).
(1.1)

Рис. 1.3. Эквивалентная электрическая схема контура, 
включающего в себя биологическую систему и электроды

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя 
полезным, так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС 
источника. Падение напряжения Ir и IR внутри биологической системы 
и на системе электрод–кожа в этом смысле бесполезно. Так как ℇбп
задана, а повлиять на уменьшение Ir невозможно, то увеличить IR 
можно лишь уменьшением R, и прежде всего уменьшением сопротив-
ления контакта электрод–кожа.

Для уменьшения переходного сопротивления электрод–кожа 

стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, 
используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раство-
ром, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротив-
ление, увеличив площадь контакта электрод–кожа, т. е. увеличив раз-
мер электрода.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сиг-

нала подразделяют на следующие группы:

– для кратковременного применения в кабинетах функцио-

нальной диагностики, например для разового снятия электрокардио-
граммы;

– для длительного использования, например при постоянном 

наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;

– для использования на подвижных обследуемых, например 

в спортивной или космической медицине;

– для экстренного применения, например в условиях скорой 

помощи.

В заключение рассмотрим устройство некоторых электродов.
Для снятия электрокардиограмм к конечностям специальными 

резиновыми лентами прикрепляют электроды – металлические пла-
стинки с клеммами 1 (рис. 1.4), в которые вставляют и закрепляют 
штыри кабелей отведений. Кабели соединяют электроды с электро-
кардиографом. На груди пациента устанавливают грудной электрод 2. 
Он удерживается резиновой присоской. Этот электрод также имеет 
клемму для штыря кабеля отведений.

Рис. 1.4. Устройство некоторых электродов

В микроэлектродной практике используют стеклянные микро-

электроды. Профиль такого электрода изображен на рис. 1.4, кончик 
его имеет диаметр 0,5 мкм. Корпус электрода является изолятором, 
внутри находится проводник в виде электролита. Изготовление мик-
роэлектродов и работа с ними представляют определенные трудности, 
однако такой микроэлектрод позволяет прокалывать мембрану клетки 
и проводить внутриклеточные исследования.

1.2.2. Устройства съема в медицинском аппарате. Датчики

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую 

или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, даль-
нейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подве-
дена измерительная величина, т. е. первый в измерительной цепи, 
называется первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только 

такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируе-
мую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Использование электрического сигнала предпочтительнее, чем 

иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно не-
сложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. 
Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием изме-

ряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. 

Параметрические – это датчики, в которых под воздействием 

измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Укажем неко-
торые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр:

1) емкостные, емкость;
2) реостатные, омическое сопротивление;
3) индуктивные, индуктивность или взаимную индуктивность.
В зависимости от энергии, являющейся носителем информа-

ции, различают механические, акустические (звуковые), температур-
ные, электрические, оптические и другие датчики.

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой вели-

чине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тен-
зодатчик) – для измерения перемещения или деформации и т. д.

Характеристика датчика – функциональная зависимость вы-

ходной величины α от входной X (описывается аналитически или гра-
фически).

Обычно стремятся иметь датчик с линейной характеристикой 

α = kХ, где k – постоянный коэффициент.

Чувствительность датчика S – отношение изменения выход-

ной величины к соответствующему изменению входной величины: 

S = α /Х.

Предел датчика – максимальное значение входной величины, 

которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повре-
ждения датчика.