Введение к работе
Актуальность проблемы. Великие русские естествоиспытатели академики Н.М.Сеченов и И.П.Павлоп, основоположники учения об организме как едином целом - психическом и телесном, считали важнейшей задачей физиологии - познание механизмов рогуллции, познание сущности процессов управления и отыскание методов управления функциями человека и животных.
Решение отих задач невозможно без "езработки и создания промышленных образцов биокедкцкнеких датчиков (как измерительных преобразователей биологической информации в электрический сигнал) для измерения основных физиологических и биохимических параметров живого организма в наземных условиях, в водной среде, а такти з условиях космического пространства. Ссобо важное значение приобретают датчики и сродства перзпч-ьоіЧ информации при изучении поведения оператора, находящегося в экстремальных условиях (инерционные перегрузки, невесомость, повышенное давление воздушной среди, психологические стрессы и др.). Биомедииинскиз датчики являются осноенкми элементами биологических измерительно-информационных систем и в значительно!} степени определяют точность измерения и надежность системы в целом. В настоящее время в мире в год производится и продгготся датчиков на сумму более- G млрд.долларов, а, ежегодный прирост объемов продай доставляет более
J. *Jt1
Можно утверждать, что достоверность измерительной информации в медицине и биологии в основном определяется метрологическими качествами датчиков и их' соответствие м особенностям исслодуе"гс процесса.
3 области биологической кибернетики роль датчиков так-ке велика. Пи одно из основных направленії,'} (физиологическое, медицинское, бионическое, системотехническое) современной биокибернетики не может развиваться без специальных исследований, в которых используются датчики различного назначения.
В елсянкх кибернетических системах, предназначенных для поддержания физиологических условий существования оргл-
низма, показатели г.кэнедеятельности организма выступают как управлявшие, командные; возрастает ответственность за объективность результатов иедико-биологических измерений. Изменчивость и индивидуальный разброс параметров объектов, их взаимозаменяемость, нели7.неЕ';кость этих связей, нгличко высокого уровня помех - все сто делает задачу объективней оценки состояния биологического объекта весьма сложное.
При экспериментальной изучении процессов, прот^чгдацих в яиаом организме, кроме трудностей методологического характера (искусственная изоляция изучаемоГі систем.!, ее линеаризация и т.д. ),возникав? сложные технические аппаратурные згдачи, обусловленные малость» сигналов, получаошх с различного рода датчиков-преобразователей, и необходимость:;) их селектирова-ипя на фоне помех. Кроме того, внедрение любого постороннего предаю та. (например, электродов, датчиков и т.п.) вносит искажение в функционирование исследуемого организма. 2щз больнее значение приобретав? датчики и средства первично Г. информации при разработке синтеза биотехнических скатом, сочетающих в едином контуре управления биологические и технические звенья. Эффективность подобных систем полностью'определяется точностью согласования харг.ктернстик этих звеньев и единством информационно:'; среды. Этот далеко не полный перечень особенностей биологических систем регулирования, коренник обре сом отличающих их от технических систем, усложняет згдвчу их изучения и предъявляет, в частности, особые специфические требования к биологическим датчикам первичной информации. Многообразие измеряемых величин и необходимая оптимизация выбора чувствительного элемента, возводит задзчу проектирования з ранг наиболее сложных мекднецкплппных зедач (на грани биологии и тахники).
Исследования., выполняющиеся до недавнего времени по разрешении научно-технических задач d области биологических датчиков ;г средств первично» информации (Д71И), кат: првгкло, завершались лшь анализом, разработкой и оценкой кедкко--биологичееккх /ІДИ для измерения отдельных фпмюяогических функции и параметров. Однако задача проектанта п современных условиях широкого внедрения измерительно-информационных систем в медицину --. биологию более глубока и заключается в
комплексном проектировании датчиков первичной информации с высокими метрологическими характеристиками, базируясь но
СИСТОМНОН МСТОДе.
Вопросы методики системного проектирования биологически., датчиков были впервые изложены автором э докладе "Системное проеэткровелие датчиков" на Всесоюзной когі*сренци;і "Бионика и биокибернетика-5Н. Системнее проектирование биологических преобразователей и датчиков первичной информации должно базироваться на изменяй и внедрении следу«и;кх аспектов:
отсутствие воздействий на функционирование живого организма;
ревизия установившихся конструкторских решений измерительных преобразователей и датчиков с целью разработки новых конструкции;
характеристики датчиков должны обеспечивать их полную взаимозаменяемость;
датчики должны иметь минимальное количество деач..:ей и узлов, а также элементов регулировки (например, в емкостных датчиках первоначальный рабочий зазор должен бить постоянен и не подвергаться регулировке);
стабильность характеристик при взаимодействии с биосферой;
разработка способов измерения резл*"шых физиологических функций (параметров) однотипними чувствительными элементами;
чувствительные элементы должны отличаться миниатюрностью, высокой чувствительностью и минимальным потреблением электрической энергии;
статическая характеристика датчика должна быть линейной;
амплитудно-частотная характеристика должна удовлетворять требованиям на полосе пропускания частот, предъявляемым к датчику;
и конструкциях датчиков должен быть соблюден принцип электрической, магнитной, механической и геометрической симметрии;
датчики должны быть магнитно- и электрически соямес-
4 тимы с окружающими источниками соответствующих физических полей;
конструкция датчика должна бить технологичной, при этом применяемые технологические процессы и приемы должны повышать метрологические характеристики датчика (например, взаимозаменяемость, снижение температурной чувствительности и т.д.);
датчики должны проектироваться с оптимизацией как конструкторских, так и технологических параметров;
узлы и детали датчикя должны быть многофункциональными, причем реализация этих функций не должна иметь отрицательны?: взаимодействий;
проектирование датчиков должно включать решение задач оптимизации надежности;
материал деталей и элементов датчиков должен обладать специальными свойствами, решающими комплексно нетрадиционные вадачя j
проектируемые датчики должны быть защитны авторским свидетельством на изобретения и открытия.
Решении зади проблемной задачи и посзящено настоящее исследование.
ПервоочередкоЯ задачей современного приборостроения является разработка унифицированных датчиков и преобраэоват -лей для измерения основних физиологических и биохимических показателей,
дія решения многих задач современной медицины перспективна специальные радиоэлектронные регистрационно-информа-ционнуе управляющие комплекси с электрическими датчиками, позволяющие использовать методы современного математического анализа для автоматического выявления отклонений от нормального течения физиологических функций, их суммарной оценки, выдачи обобщенной информации к автоматического управления системами нормализации нарушений процессов жизнедеятельности организма. Впервые идея создания такого комплекса выдвинута в 50-е году советским ученым, хирургом профессором П.А.Куприяновым, а первая практическая реализация отих идей был- воплощена с участием автора в комплексе РИУК (1964 год) разработки Лаборатории биоыодицинской кибегчетн-
ки Северо-Западного политехнического института (СЗП1І) и Военно-медицинской академии км. СМ.Кирове.
Датчики и входное устрэйстве в этом комплексе были разработаны автором.
3 работе рассматриваются упругие и чувствительны*! элементы, а также комплекси датчиков, спроектированных автором за истекшие 25 лет в ОКБ БКкК, ЛЗГИ, НШСТИ БТС, а также на кафедре технических систем управления в биологии и медицине СЗШ.
В диссертации нашли отражэние исследования автора по разработанному ш методу укладки "неосязаемого" элементарного оптического волокна для прецизионных ягутов волоконной оптики и по конструкциям капиллярных микроселекторов для тонких микробиологических исследований, в частности, для получения чистых культур (задача Р.Коха). Исследования по методике капиллярной микроскопии проводились автором совместно с лауреатом Ленинской и Государственной праний профессором Б.В.Перфильев с 1947 года. Широкое внедрение этой икф ,р-мационной аппаратуры высокого класса отвечает задачам по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики.
Цель п задачи исследования. Цель» работы явилось создание общчх методов системного проектирования биологических ДЛИ и получение опорных данных для расчета конструирования и технологии их .изготовления.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
общая постановка научной проблеск по систем-.ому проектированию линейных миниатюрных средств первичной биологическом информации;
теоретические обобщения по основным показателям состояния биологического объекта и разработка классификации биологических ДЛИ по различным признакам с установлением метрологических требовании" как основной задачи проектирования биологических ДЛИ;
создание гаммы преобразователей, биологических датчиков и устройств, а таки новых технологий их изготовления
на бязе систеїпюго проектирования.
"зтод» исследования. Методологическую основу диссертации составляет скстешый подход к разработке теорія? к методов проектирования датчиков к преобразователей биологкчес-коГі информации.Использовались теоретические и экспериментальные методы исследования упругих элементов, чувствительных элементов и датчиков в целом. Эти методы базируются на математической статистике, теории вероятностей, теории линейного программирования, а также теории проведения экспериментов не м:псро- и макроуровнях.
_ІІ8учнь;з__ре аул ь т атыл_в ыносимые иа зьп.иту. Те оре т кчо с к ив обобщения по системному проектированию миниатюрных к малогабаритних преобразователей и датчиков биологической информации, а такт.а решение технологических проблем по их созданию.
-
Основные этапы проектирования биологических преобразователей и датчиков различных классов на базе системного подхода.
-
Комплекс ревенных технологических про."лем по разработке упругих элементов, чувствительнмх элементов и датчиков в целом. .
Г*. Решение проблемы прецизионной гексагональной укладки "неосязаемого" оптического волокна для создания гибких световодов и оптосенсоров.
-
Создание принципиально новых информационных устройств для исследования микроорганизмов в никрепейзмхе с использованием как оптичоских, так и электронных микроскопов.
-
Результаты внедрения новых конструктивных решений детчиков, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения автора (на базе авторских свидетельств).
Научная новизна:
В диссертация впервые поставлена задача системного метода проектирования биологических ДІЙ с разработкой и реализацией аспектов системного проектирования. Представлена реализация этой проблемной задачи, что потребовало комплексних исследований упругих и чувствительных элементов и ДЛЯ в целом. В рамки поставленной задачи входило:
- разработке, методики проектирования минигтюрннх упругих элементов нових конструктивних форм (плоская мемб^на.
7 сваренная с усом-выступом корпуса рельефной конденсаторно.1 сваркой; колпачкопал мембрана и мембрана-плкта с тороидгль-ным гофром; плоская прямоуіольная мембрана; плоская мембрана-плита с жестким центром; мшиатюрнч-э сварные енльфоны; тензо-ксі'рические белки новых конструктивных форм);'
теоретические исследовакт'л способов соединения концов тенэометрических балок с центром мембран;
теоретические исследования влияния градиента температур между мембранами и корпусом датчика на чувствительность; разработка способов снижения паразитной температуркой чувствительности;
обобщения по основнії» принципам построения чувствительных элементов биологических ДЛИ;
обоснование перспективи использования полупроводннко-гых тензометрнческих чувствительных элементов в проектировании миниатюрных биологических датчиков первичной информации;
разработке технологии изготовления полупроводниковых чувствительных элементов из дендритной ленты германия;
исследования по технологии наклеивания, определения ползучести и надежности тензереэисторов;
экспериментальные исследования температурных характеристик чувствительных элементов из монокристаллического терпения и кремнкя и кварцевых тензорезисторных чувствительных элементов;
характеристики v ;вых образцов миниатюрных гетероэпи-таксиальных тензометричоских чувствительных элементов;
проектирование лине(!ных преобразователей перемещения
с чувствительными элементами Холла и способы их теь.юратурнон компенсации;
- результаты исследований по системному проектированию
датчиков давлений, усилий и перемещений различных назначения
и типов (датчики давления крови различных типов, датчики пульсовой волны, датчики усилий для стоматологических исследований я тонометры слоговых рубцов, датчики внутриглазного давления, биологические датчики давления специальных назначений);
проектирование биологических датчиков температуры;
обобщения по проектирования датчиков для измерения параметров вибрации;
обобщения по оптимальному проектированию датчиков параметров дыхания к расхода физиологические жидкостей;
разработка, нового технологического ыотода изготовле-ния гибких световодов из элементарного оптического волокна;
разработка, первого в стране миниатюрного оптоволоконного датчика давления крови (оптосенсора);
проект про ваш'.е информационных микроселекторов для нс-следовяшя и одноклеточного виделенил микроорганизмов с целью получения чистых культур.
Практическая ценность диссертация ааключвется в том, что на основу-кий концепций системного подхода:
-
Разработаны расчетные и технологические материалы по проектировгккю упругих элементов новых конструктивных форм (колпачковые мембраны, колпачкокыв мембраны-плиты, прямоугольное кремниевые Міімбрпни, кварцевые рзвно-кесткостнке; плоские мембраны с ленточной заделкой; миниатюрнее сягьфоны; темзометрические балки малой полгучгски).
-
Разработаны новые технологии изготовлеь...я чувствительных элечентов-гедисторов, мелобязных кремниевых тензо-резисторов, плоских линейных конденсаторов давления, кварца г мх п- езоэлсьиктоя с малой поперечной паразитной чувствительностью, температурных элементов с малой постоянной «рамени.
-
Разработана практическая методика проектирования лине иных емкостных датчиков давления.
-
Разработаны базовые конструкции датчиков давления, перемещения, силы, параметров вибрации, параметров дыхания, расхода физиологических жидкостей, температуры, иихроселвк-торов.
-
Впервые разработана технология гексагональной укладки "неосязаемого" оптического волокна с целью получения гибких световодов с высокой разрешающей возыокностыо.
Реализация результатов работы.
-
Метод системного проектирования биологических датчиков и преобразователе,", внедрен в СЗПИ, НИІШ1 БТС ЛИГИ, НПО "АЗИМУТ" г других организациях страны.
-
Теоретические результаты, подученные в работеt использованы в учебном процаеса и вошли в курс "Датчики и пвр-ичныв
преобразователи медико-биологической информации", поставленный рвтором, а также в курс "Охрана труда" кафедры техни-чоскік систем управления в биологин и медицине и охраны труда сзгк.
3. Результаты работы внедрены:
новые упруги* элементы (колпачковые мембраны, мембраны- плиты, плоскім мембраны с ленточной заделкой, миниатюрные сильфони) и чувствительные элементы (гедисторы, МИНИ8-тюрные тензорезисторы, тензорезксторныв балки ма.\оЯ ползучести) - в Воєнно-медицинской академии им. СМ.Кирова, НИКЛІ ETC ЛЭГИ, СЗПИ, НПО "Электроприбор", предприятии "Чаі*-ка", "Сигнал" ', а также в других предприятиях агрсфкзичес-кого, теплофпзического, авиационного и специатьиого приборостроения;
разработанные комплексы датчиков в системах по пра-:ительственнки темам !' 205, ОБ-26, "Поток", "Бакштаг", "Шворт", "Пилот", )> 343, Р 492, J? 44, J? 90,Монитор", "Пульс", "Сердце", "Нимфа" и др. по планам работ ОІїБ Г'"<К ЛЗГИ, НИКЛІ БТС ЛЗГИ, СЗПИ с 1964 по 1992 годы;
целый ряд разработанных автором датчиков и устройств принят постановлениями Минздрава и других министерств к серийному изготовлению (например, датчика к' аппаратуре АУЦО для протезирования в стоматологии, гкатодинаиомв-тры, эстезиометры и др.).
Апробация работы. Результаты исслздонаний доложены более чем на 25-ти всесоюзных и международных научных конференциях и симпозиумах л получили положительную оценку.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, ерчдх которых 2 монографии, 25 авторских свидетельств на изобретения.
Материалы диссертации использованы в учебных пособиях и учебном процессе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы, включаючого 210 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена н» 423 страницах машинописного теста. Работа содержит 172 рисунка и 26 таблиц.
