Elektronické součástky a senzory v lékařství

Předmět lze klasifikovat až po klasifikaci předmětů:

Teoretická elektrotechnika (17BKTEL)

Přednášející:

Miroslav Husák (gar.)

Cvičící:

Richard Grünes, Martin Rožánek

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Předmět poskytuje informace o základních elektronických součástkách a senzorech, jejich principech činnosti, základních zapojeních a aplikacích v biomedicínckém oboru. Důraz je kladen především na základní principy a aplikace. Seznámeni se základními pasivními součástkami (odpor, cívka, kondenzátor), jejich konstrukcí, realizací a náhradími modely. Základní jevy v polovodiči a princip činnosti přechodu PN. Základní struktury polovodičových diod a jejich aplikace (usměrňovače, stabilizátory apod.). Princip činnosti a aplikace bipolárního a unipolárního tranzistoru (zesilovací stupně a spínače, teplotní charakteristiky, kompenzace) Vícevrstvé spínací součástky pro výkonové aplikace. Integrované obvody a technologie, vakuové součástky. Základní principy činnosti senzorů neelektrických veličin včetně zapojení vyhodnocovacích obvodů. Zejména senzory mechanických jevů (polohy, síly, tlaku, mechanického napětí, prodloužení, torze, vibrací, akcelerace, průtoku a pod.), magnetického pole (magnetorezistor, Hallova sonda, feromagnetický senzor), teploty (PN přechod, odpor, termoelektrické články, bolometry), chemických veličin, optických spekter a biosenzory. Mikrosenzory a mikroaktuátory s využitím pro biomedicíncké aplikace.

Požadavky:

Podmínky zápočtu: Povinná účast na všech formách cvičení. Odměření všech úloh a zkontrolované záznamy ze cvičení na předtištěných protokolech.

Požadavky ke zkoušce: Splnění požadavků k zápočtu (20%). Zkouška bude probíhat formou testu (80%), ve kterém bude preferováno ověření získání praktických zkušeností ve cvičeních v rámci modifikovaných úloh pro zkoušku. Test bude písemný a bude obsahovat otázky s nabízenými odpověďmi, a z nichž pouze jedna je vždy správná.

Osnova přednášek:

1.Pasivní elektronické součástky (odpor, cívka, kondenzátor), náhradní model reálné součástky s parazitními vlastnostmi, způsoby výroby, toleranční řady.

2.Vlastnosti polovodičů. Energetické pásové diagramy, vedení proudu. Přechod PN, Shockleyho rovnice. Přechod kov-polovodič.

3.Polovodičové diody, PIN diody, lavinový a Zenerův jev, teplotní charakteristiky a typy průrazu. Schottkyho dioda a tunelová dioda.

4.Bipolární tranzistory - tranzistorový jev. Charakteristiky, režimy modely a aplikace bipolárních tranzistorů. Vliv teploty, stabilizace pracovního bodu, mezní kmitočty. Zapojení zesilovačů se společnou bází, emitorem a kolektorem.

5.Tranzistory JFET a MESFET. Princip funkce, režimy provozu, vlastnosti a modely. Struktura MIS a tranzistory MOS, typy, vlastnosti, náhradní lineární modely.

6.Vícevrstvé spínací součástky (diak, triak, tyristor). Součástky pro výkonové aplikace, principy chlazení a konstrukční realizace.

7.Stavební prvky integrovaných obvodů, operační zesilovače, ochranné obvody. Technologie DTL a TTL, STTL, CMOS, BiCMOS, BCD. Sekvenční a kombinační logika.

8.Optoelektronické součástky. Fotodetektory, LED a injekční laserové diody, vakuové součástky (elektronky, fotonásobiče, zobrazovací prvky)

9.Senzory jako elektronické součástky pro zpracování neelektrických signálů - použití, základní typy. Základní vlastnosti senzorů a jejich ekvivalence s vlastnostmi elektronických součástek z hlediska zařazení do elektronických obvodů a aplikace.

10.Senzory pro měření polohy, taktilní senzory využitelné v medicíně, senzory pro měření síly, tlaku, mechanického prodloužení, vibrací a torze, akcelerometry, senzory pro měření průtoku a hladiny - principy činnosti a jejich základní aplikace v medicíně

11.Senzory pro měření vlhkosti, senzory pro měření magnetických veličin - magnetorezistor, Hallův a feromagnetický senzor, jejich aplikace při konstrukci medicínských přístrojů, měření teploty s využitím senzorů kontaktních, odporových, kovových a polovodičových, kovových termoelektrických článků, metody měření.

12.Senzory a mikrosenzory pro monitorování teploty a chemických látek, senzory pro měření záření a jejich aplikace, bezkontaktní měření teploty a biosenzory

13.Principy činnosti a využití optických vláknových senzorů pro měření základních fyzikálních veličin a spektrofotometrie.

14.Inteligentní senzory a zpracování senzorových signálů, mikroaktuátory - principy a aplikace v lidských orgánech (kardiostimulátory, neuroprotézy, apod.)

Osnova cvičení:

1.Úvod, seznámení s bezpečností práce, laboratorním řádem, a přístrojovým vybavením. Zopakování požadavků na udělení zápočtu, představení doporučené literatury pro cvičení. Seznámení s organizací jednotlivých cvičení, vytyčení požadavků na domácí přípravu pro jednotlivé úlohy.

2.Měření parametrů diod (Si, Ge, Schottky, LED, tunelová) - voltampérová charakteristika a doba závěrného zotavení. Měření parametrů stabilizátoru se Zenerovou diodou.

3.Měření statických vstupních a výstupních charakteristik bipolárního tranzistoru. Nastavení a stabilizace jeho pracovního bodu.

4.Měření vlastností zesilovače s bipolárním tranzistorem pro zapojení se společným emitorem, bází a kolektorem. Stanovení vstupního a výstupního diferenciálního odporu a vlivu blokovacích kapacit na velikost zesílení.

5.Měření statických výstupních charakteristik unipolárního tranzistoru MOSFET. Nastavení a stabilizace pracovního bodu, stanovení parametrů y21 a y22.

6.Využití tranzistoru MOSFET pro konstrukci měničů velikosti napětí a polarity.

7.Senzor tlaku (Měření charakteristiky, použití pro měření krevního tlaku) a senzor síly. (Měření charakteristiky. Ověření vlastností tenzometrického můstku).

8.LVDT transformátorový senzor polohy (Měření charakteristiky. Ověření vlastností synchronního detektoru) a Měření průtoku indukčním senzorem a turbínkovým senzorem (Měření V-A charakteristiky termistoru v závislosti na průtoku pro návrh anemometrického senzoru).

9.Měření remanentního pole plicních prachových ložisek na modelu s použitím fluxgfate magnetometru a nemagnetického polohovacího zařízení. Vytvoření prostorové mapy rozložení magnetického gradientu. Měření velikosti žaludku indukční metodou. Vliv polohy senzorů na dosažitelnou přesnost. Impedance cívky a její frekvenční závislost, rezonanční obvod.

10.Optoelektronické senzory (spektrální charakteristiky zdrojů záření, využití infračervené závory) a měření fyziologických vlastností lidského zraku a sluchu.

11.Senzory pro měření záření - radiace - Geiger-Mullerův čítač, měření osvětlení. Chemické senzory - senzory pro detekci plynů a chemických par, senzory vlhkosti

12.Senzory rychlosti a polohy - využití akcelerometru pro měření náklonu a vibrací, , anemometrická měření ochlazování

13.Kontaminace a pH kapalin - využití senzorů pro měření znečištění vody, měření pH kapalin, zápočtový test.

14.Doměřování úloh, opravy zápočtových testů a udělení zápočtu.

Cíle studia:

Seznámení se základním typy a funkcemi elektronických součástek a senzorů používaných v medicínské diagnostice a přístrojové technice.

Studijní materiály:

[1] Husák, M.: Mikrosenzory a mikroaktuátory, ACADEMIA, 2008 - stěžejní studijní opora k přednáškám

[2] Husák, M.: Senzorové systémy, Vydavatelství ČVUT, Praha, 1993

[3] Vobecký, J., Záhlava, V.: Elektronika, součástky a obvody, principy a příklady, druhé, rozšířené vydání, Grada Publishing s.r.o., Praha 2001, ISBN 80-7169-884-9

[4] Vaníček, F.: Elektronické součástky Principy, vlastnosti, modely, Vydavatelství ČVUT, Praha 1999, ISBN 80-01-01897-0

[5] P. Ripka, M. Kreidl, S. Ďaďo: Senzory a převodníky, Vydavatelství ČVUT, Praha 2005

Studijní literatura cvičení:

[6] Foit,J., Záhlava,V., Vobecký,J.: Electronics - laboratory measurements, CTU in Prague, 2007

[7] Husák, M., Ripka, P., a další autoři: Senzory v lékařství, Návody k laboratorním cvičením, Vydavatelství ČVUT, Praha 2007 - stěžejní studijní opora, která je vhodná jak pro samostudium, tak i pro přípravu na cvičení i ke SZZ

[8] Vaníček, F.: Elektronické součástky - příklady, Vydavatelství ČVUT, Praha 2004, ISBN 80-01-02401-6

[9] Platil, P. Ripka: Senzory - laboratorní cvičení, Vydav. ČVUT, Praha 2004

[10] Fojt, J., Vobecký, J., Záhlava V.,: Elektronika, laboratorní cvičení. Vydavatelství ČVUT, Praha 2005

Studijní literatura pro bližší seznámení se s oborem:

[11] Dostál, J.: Operační zesilovače, BEN Technická literatura, Praha 2005, ISBN 80-7300-049-0

[12] Maťátko, J.: Elektronika, 5. vydání. Idea servis, Praha 2002

[13] Doleček, J.: Základy elektroniky. 1. díl. (a další díly), BEN - technická literatura, Praha 2005

[14] Láníček, R.: Elektronika - obvody, součástky, děje, 1. vydání, BEN - technická literatura, Praha 1998.

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St
Čt
Pá	místnost KL:B-616 Husák M. 08:00–13:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Učebnamístnost KL:B-616 Rožánek M. Grünes R. 14:00–19:50 Kladno FBMI Učebna

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínský technik - kombinované (povinný předmět)