Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор методов измерения артериального давления и температуры 14
1.1 Классификация методов измерения артериального давления 14
1.2 Методы развертывающего уравновешивающего преобразования АД 18
1.3 Методы следящего уравновешивающего преобразования АД 33
1.4 Методы измерения АД без использования опорного канала 42
1.5 Сравнительный анализ методов измерения АД 47
1.6 Методы измерения температуры биологических объектов 57
Глава 2. Совершенствование методов измерения артериальног давления71
2.1 Простейшая модель тонометра 71
2.2 Моделирование процесса изменения давления в компрессионной камере тонометра
2.3 Метод повышения уровня выходного сигнала датчика давления 94
2.4 Усовершенствование тонометрического метода измерения АД 106
Глава 3. Совершенствование методов измерения температуры биологических тел 119
3.1 Модель термометра сопротивления в режиме стабилизации температуры и возможности его использования для измерения температуры 119
3.2 Преобразователь температуры в ЧИМ-сигнал с использованием терморезистора в режиме стабилизации температуры 126
3.3 Исследование возможности устранения влияния дрейфа нуля 138
Глава 4. Разработка и исследование приборов для измерения артериального давления и температуры 154
4.1 Безманжетный пальцевой тонометр 154
4.2 Безманжетный пальцевой тонометр с оптоэлектронным датчиком пульсовых колебаний 162
4.3 Безманжетный тонометр для измерения АД по запястью Модель быстродействующего термометра 174
Заключение 194
Литература 197
Приложение А
- Методы следящего уравновешивающего преобразования АД
- Метод повышения уровня выходного сигнала датчика давления
- Преобразователь температуры в ЧИМ-сигнал с использованием терморезистора в режиме стабилизации температуры
- Безманжетный пальцевой тонометр с оптоэлектронным датчиком пульсовых колебаний
Введение к работе
Актуальность работы и состояние вопроса. Приборы для измерения артериального давления (в последующем для краткости будем называть их тонометрами) и медицинские термометры являются самыми распространенными бытовыми приборами. Столь же широко они применяются в лечебных учреждениях. Артериальное давление (АД) является важнейшим показателем работы сердечно-сосудистой системы. Несмотря на это, качество массово применяемых образцов данных приборов остается на весьма низком уровне. В частности, подавляющая часть термометров по своему принципу и техническому исполнению остается на уровне начала прошлого века. Имеются в виду ртутные стеклянные термометры, недостатки которых общеизвестны: они не отвечают элементарным требованиям экологической безопасности (особенно при применении в детских учреждениях), имеют чрезвычайно неудобную индикацию результата измерения и отличаются большим временем измерения (до 10 минут), что особенно неприемлемо при массовых измерениях (например, в периоды эпидемий гриппа в детских учреждениях).
В последние годы на внутреннем рынке появились современные цифровые термометры зарубежных фирм «SAAT» (Израиль), «ОМРОН» (Япония), Health Instruments СО, LTD (Китай) и других. Все они стоят существенно дороже традиционных ртутных термометров. Большинство из них не лишено и основного недостатка аналоговых медицинских термометров - низкого быстродействия. Термометры с датчиками инфракрасного излучения свободны от этого недостатка, однако точность их несколько ниже по сравнению с цифровыми термометрами контактного принципа теплопередачи от объекта измерения к термочувствительному элементу (обычно в качестве такового используется термистор). Кроме того, инфракрасные термометры, как правило, предназначены для измерения температуры в местах (лоб, ушное отверстие), где ее значение существенно отличается от истинного значения, что вызывает необходимость введения поправки, осуществляемой автоматически. Существуют цифровые термометры с контактным способом теплопередачи, которые обладают достаточно высоким быстродействием. Однако стоимость таких термометров на порядок выше по сравнению с цифровыми термометрами низкого быстродействия.
Для измерения АД наиболее широко применяются тонометры, предназначенные для измерения давления на предплечье. Как правило, это неавтоматические аналоговые приборы, чрезвычайно неудобные при необходимости измерения давления самому себе. В последнее время в продаже появились автоматические и полуавтоматические цифровые тонометры, выпускаемые в трех вариантах конструктивного исполнения: для измерения давления на предплечье, на запястье и на фаланге пальца. Наиболее известны цифровые тонометры таких фирм, как «ОМРОН» (Япония), Microlife (Швейцария), Nissey (Япония) и других. По сравнению с неавтоматическими тонометрами, реализующими способ измерения, предложенный еще в начале прошлого века русским врачом Коротковым, цифровые тонометры являются заметным шагом вперед в направлении совершенствования данной группы измерительных приборов. Однако, отличаясь высокой степенью автоматизации, в метрологическом отношении они не далеко ушли от своих предшественников, так как положенный в их основу принцип измерения остается неизменным. В частности, основным недостатком является необходимость полного пережатия артерии в процессе измерения, т.е. перекрытия кровотока в артерии, что приводит к искажению нормальной гемодинамической картины в артерии и к возникновению соответствующей погрешности, не говоря уже о том дискомфорте, который испытывает при измерении пациент. Перекрытие кровотока создает определенные неудобства во время различного рода операций, когда необходимость периодического
7 измерения АД затруднена или невозможна из-за того, что одновременно пациенту необходимо вводить через вену какие-то препараты, и его вена подключена к медицинской аппаратуре в течение всего времени операции. Круглосуточное мониторирование АД с помощью подобных приборов осуществить не удается, так как причиняются дополнительные болевые ощущения пациентам при надувании манжеты. Кроме того, частые измерения приводят к нарушению кровоснабжения конечности больного. Мониторирование артериального давления (АД) с непрерывной круглосуточной регистрацией по сей день остается нерешенной задачей в клинике внутренних болезней.
Другой недостаток существующих тонометров - длительное время измерения, исчисляющееся единицами минут, что объясняется самим принципом измерения, при котором погрешность фактически обратно пропорциональна числу сердечных сокращений, укладывающихся в интервал измерения.
Существование большого числа методов и устройств, предназначенных для измерения АД (как показывает анализ патентной литературы, каждый год к ним добавляются в среднем около 30 новых технических решений [26]), означает, что в настоящее время в мире не существует не только идеального неинвазивного автоматического измерителя АД, но даже просто хорошего универсального прибора, применимого в широком клиническом диапазоне.
Таким образом, несмотря на определенный прогресс в развитии рассматриваемой медицинской аппаратуры существует острая потребность в ее дальнейшем совершенствовании в направлении повышения быстродействия, снижения стоимости, улучшения других метрологических характеристик и прежде всего — снижения погрешности от искажения естественных процессов в организме в результате воздействия на него средства измерения.
8 Задачи исследования. Целью работы является разработка моделей взаимодействия объекта и средства измерения температуры и артериального давления и их использование для улучшения технических, метрологических и стоимостных характеристик наиболее массово используемых медицинских измерительных приборов — тонометров и термометров. Для достижения этой цели в работе решаются следующие основные задачи:
Систематизация методов измерения артериального давления. Почему она необходима? Потому, что до настоящего времени практически во всех источниках методы измерения артериального давления имеют названия типа: инвазивные и неинвазивные, пальпаторные и аускультативные, т.е. названия чисто медицинского толка, не имеющие почти никакого отношения к метрологии. Решение задачи улучшения метрологических характеристик тонометров невозможно без идентификации существующих методов в терминах измерительной техники.
Разработка математической модели процессов, происходящих в артерии и компрессионной камере при измерении артериального давления традиционным методом. Только решение этой задачи может дать объективные признаки для фиксации моментов, когда внешнее компенсирующее давление достигает значений верхнего и нижнего артериального давления.
Исследование возможностей увеличения выходного сигнала датчика пульсаций давления, по которому определяются признаки наступления моментов компенсации артериального давления. Особенности конструкции современных тонометров обуславливают весьма низкий уровень выходного сигнала датчика пульсаций давления, что является источником существенной погрешности в определении указанных моментов.
Исследование возможности снижения времени измерения артериального давления до одного цикла сердечного сокращения. Решение данной задачи означало бы революционный скачок в развитии методов измерения артериального давления.
Разработка недорогого цифрового тонометра массового применения.
Систематизация методов измерения температуры живых организмов с целью выявления возможностей преодоления недостатков традиционных методов, прежде всего — в направлении повышения быстродействия.
Разработка и исследование новых способов и средств измерения температуры.
Содержание диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и список цитированной литературы.
В первой главе приводится предлагаемая систематизация методов измерения артериального давления и температуры живых организмов. В части, касающейся измерения артериального давления, все существующие методы систематизированы в терминах, традиционно принятых в измерительной технике (прямое и уравновешивающее преобразование, следящее и развертывающее преобразование и т.д.). Априори известные свойства традиционных методов измерительной техники упрощают задачу сравнительной оценки возможностей существующих методов измерения артериального давления. В части, касающейся измерения температуры, предлагаемая классификация методов отличается тем, что на верхнем уровне иерархии разделение методов произведено по признаку, являющемуся наиболее важным с точки зрения потенциально достижимой точности. А именно, в качестве такового принято наличие в структуре средства измерения опорного канала. В главе также приведен сравнительный анализ метрологических, технических и стоимостных
10 характеристик тонометров и термометров, выпускаемых в нашей стране и за рубежом.
Во второй главе приводится описание математической модели процессов, происходящих в компрессионной камере и в артерии при реализации традиционного метода измерения артериального давления. По результатам моделирования даются рекомендации относительно уточнения признаков равенства измеряемого артериального давления и внешнего компенсирующего давления. С использованием модели сравниваются варианты конструктивного исполнения тонометров -традиционного и предлагаемого. Обосновывается принципиальная возможность измерения артериального давления за один цикл сердечного сокращения. Предлагается ряд вариантов алгоритма машинной обработки сигнала с датчика пульсаций давления с целью фиксации моментов равенства внешнего компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям артериального давления. Обосновывается возможность измерения артериального давления без прерывания кровотока в артерии.
В третьей главе исследуются возможности повышения быстродействия измерения температуры живых организмов. С этой целью предлагается использовать термосопротивление в режиме стабилизации температуры. Приводится и исследуется модель теплообмена между термосопротивлением и объектом измерения и обосновывается возможность извлечения информации об измеряемой температуре по интенсивности сигнала, стабилизирующего температуру термосопротивления. С использованием имитационных моделей рассматриваются варианты построения термометра с частотным выходным сигналом. Обосновывается возможность существенного снижения аддитивной погрешности, вызываемой дрейфом нуля используемых в схеме термометра операционных усилителей.
В четвертой главе дается описание практически выполненных разработок быстродействующего индикатора температуры и двух вариантов тонометра для измерения артериального давления на фаланге пальца и на запястье, а также приводятся результаты их экспериментального исследования.
Основные положения и результаты, выдвигаемые на защиту.
Предлагаемая математическая модель, описывающая процессы, происходящие в системе артерия - мягкие ткани конечности -компрессионная камера при реализации традиционного способа измерения артериального давления, позволяет уточнить признаки равенства внешнего компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям измеряемого давления.
Исследование модели показывает возможности увеличения отношения сигнал/шум в автоматических цифровых тонометрах путем увеличения соотношения объема артерии, заключенной под манжетой, и объема компрессионной камеры, либо путем изменения способа восприятия пульсаций давления в артерии за счет организации специального измерительного канала.
Во всех традиционных тонометрах реализуется метод развертывающего уравновешивающего преобразования артериального давления с использованием линейно уменьшающейся во времени развертывающей функции (т.е. артерия подвергается декомпрессии), что приводит к неоправданному увеличению времени измерения, а также к увеличению продолжительности пережатого состояния артерии. Предложена реализация способа с использованием линейно возрастающей развертывающей функции, что снижает время измерения и в меньшей степени нарушает гемодинамику артерии.
Для определения моментов равенства внешнего компенсирующего давления и измеряемого давления необходимо определять амплитуду пульсаций давления в компрессионной камере в процессе декомпрессии. Традиционно данная задача решается аппаратными средствами. В работе предложен более простой вариант программного решения данной
12 проблемы. Математически задача сводится к поиску глобальных экстремумов сигнала сложной формы (имеющего локальные экстремумы). Экспериментальная проверка предложенного алгоритма численного определения глобальных экстремумов подтвердила его высокую эффективность.
Для фиксации моментов равенства внешнего компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям артериального давления одним из эффективных решений является алгоритм численного скользящего определения параметров линейной регрессии амплитуд пульсаций давления в компрессионной камере.
Артериальное давление может быть измерено с приемлемой для практики точностью с использованием метода прямого преобразования. Для этого необходимо создать внешнее давление на артерию, не превышающее нижнее значение артериального давления (следовательно, при измерении кровоток в артерии не прерывается). По амплитуде пульсаций давления, воспринимаемого через толщу мягких тканей, можно рассчитать значения систолического и диастолического давления с использованием предложенного алгоритма. Для применения метода необходимо один раз для каждого пациента произвести измерение артериального давления по классическому способу.
Существенное повышение быстродействия при измерении температуры с использованием термочувствительных элементов в виде терморезисторов достигается использованием режима стабилизации температуры терморезистора. При температуре стабилизации, равной максимально возможному значению измеряемой температуры, интенсивность теплового потока от терморезистора к объекту измерения прямо пропорциональна разности измеряемой температуры и температуры стабилизации. В результате тепловая инерционность терморезистора, а также нелинейность его характеристики практически не влияет на динамические свойства средства измерения в целом.
Использование ЧИМ-сигнала в качестве регулирующего воздействия в системе стабилизации температуры терморезистора обеспечивает линейную зависимость частоты от измеряемой температуры.
Алгоритм чередующегося в каждом периоде изменения полярности ЧИМ-сигнала обеспечивает резкое снижение погрешности, источником которой является дрейф нуля используемых в схеме операционных усилителей.
Реализация работы, В результате проведенных в работе исследований были разработаны два варианта автоматических цифровых тонометров для измерения артериального давления на фаланге пальца и на запястье. Экспериментальные исследования макетных образцов тонометров подтвердили обоснованность положений и выводов, полученных при математическом моделировании процессов в системе артерия - мягкие ткани - компрессионная камера. Использование термосопротивления в режиме стабилизации температуры позволило создать индикатор температуры практически мгновенного действия. Опытный образец индикатора температуры был изготовлен в НИИ физических измерений, г. Пенза. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Пензенском государственном университете на кафедре «Медицинские приборы и оборудование».
Публикации. По теме работы опубликовано 14 печатных работ. Подана заявка на изобретение.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Шахову Э.К. за постановку задач исследования, консультации и помощь в их решении.
Методы следящего уравновешивающего преобразования АД
В результате, при пульсации сосуда, с увеличением просвета артерии давление в манжетке увеличивается, а при уменьшении - уменьшается. Таким образом, поддерживается номинальная величина просвета артерии, задаваемая микропроцессором.
Давление воздуха в манжетке отслеживает колебания АД на протяжении сердечного цикла и после преобразования в электрический сигнал датчиком поступает на АЦП для обработки в микропроцессоре по осциллометрической методике. Чтобы этот прием был понятен, напомним, что пульсации давления в манжетке обусловлены объемными расширениями артерии в процессе сердечных сокращений. В каждый данный момент амплитуда пульсаций давления в манжетке равна среднему значению давления в манжетке, умноженному на отношение объема части артерии, находящейся под манжетой, к объему манжеты. Манжета не растягивается, поэтому амплитуда пульсаций давления в манжете пропорциональна произведению среднего давления в манжете и амплитуды объемных расширений артерии. По мере повышения среднего давления в манжетке амплитуда объемных расширений артерии уменьшается, тем не менее, указанное произведение по мере повышения среднего давления в манжетке вначале возрастает, а затем начинает уменьшаться (когда среднее давление в манжетке превысит верхнее значение АД, пульсации артерии вообще прекращаются). Максимум амплитуды пульсаций давления имеет место при среднем давлении в манжетке, равном постоянной составляющей АД. Только $ в этом случае прибор показывает правильные значения АД.
На экран дисплея выводятся кривая давления и вычисленные значения параметров АД. В приборе предусмотрена периодическая калибровка по сигналу от микропроцессора, подаваемому на переключатель. При этом обратная связь размыкается и под действием напряжения калибровки осуществляется поиск размера сосуда, при котором пульсации давления достигают максимума.
Для предотвращения искажений фотоплетизмографического сигнала палец с манжеткой при проведении процедур измерения АД необходимо надежно зафиксировать.
В мониторе АРМ 770 (Cortronic USA), построенном по аналогичному принципу, используется стандартная плечевая манжетка с постоянным низким давлением около 30 мм рт.ст. и следящая система за расширением сосудистой стенки с целью определения параметров АД [17].
В работе [3] упоминается еще один стационарный прибор, известный под названием Finapres, а также относительно недавно созданный носимый вариант - Portapres (I и II). Прибор имеет систему коррекции АД на гидростатическую поправку, возникающую при различном расположении пальцев относительно уровня сердца. К сожалению, метод не лишен принципиальных недостатков. Измеряемая величина ДАД ниже, чем в плечевой артерии, причем поправка зависит от вазоспастического состояния артерий пальца. Систолическое АД у молодых субъектов, как правило, выше, чем в плечевой артерии, но у пожилых - ниже. Поправка также зависит от тонуса артерий.
При всех достоинствах тонометра рис Л. 10 он не лишен одного существенного недостатка. Прибор отслеживает только динамическую составляющую АД. Дело в том, что по самому принципу, заложенному в основу функционирования прибора система отслеживает только динамическую составляющую изменения объема артерии. Для получения полной картины изменения АД прибор нуждается, как указывалось, в периодической калибровке. Следует также отметить, что схемная реализация рассмотренного прибора отличается большой сложностью.
Эти недостатки в значительной степени устранены в тонометре по патенту [16], функциональная схема которого приведена на рис.1.11.
Рис.1.И Функциональная схема включает последовательно соединенные датчик Д, измерительную цепь ИЦ, усилитель Ус, показывающее и регистрирующее устройство ПУ (РУ), обратный преобразователь ОП, а также задатчик времени коррекции ЗВК и устройство выборки и хранения УВХ. Обратный преобразователь преобразует напряжение с выхода усилителя в механическую силу, воздействующую на шток, в который вмонтирована оптопара (источник света и фототранзистор). Варианты реализации ОП могут быть различными, будем считать, что он представляет собой магнитоэлектрический преобразователь.
Сила F(K.(t), развиваемая обратным преобразователем, выражается соотношением:где I(t) - сила тока, протекающего по обмотке катушки ОП;В - индукция в магнитном зазоре магнитоэлектрического ОП; L - длина провода активной части обмотки подвижной катушки. Сила (1.1) через шток воздействует на палец пациента и создает давление на артерию, определяемое соотношением:
Если артерия не пережата штоком, то в выходном сигнале ИЦ содержится переменная составляющая, амплитуда которой пропорциональна амплитуде пульсаций артериального давления (пульсации давления вызывают изменение оптической плотности мягких тканей конечности в месте расположения артерии).
В установившемся режиме работы устройства артерия пульсирует под действием разности измеряемого PA(t) и компенсирующего Poc(t) давлений:APit) = PA{t)-Poc(t). (1.3)При выполнении равенства РА ) Р ХІЇ) артерия перестает пульсировать.
Входной сигнал усилителя определяется уравнением:где G - коэффициент передачи датчика объемных пульсаций артерии, включая коэффициент передачи измерительной цепи;U= - постоянная составляющая сигнала на выходе измерительной цепи;
Метод повышения уровня выходного сигнала датчика давления
Проведенный в главе 1 обзордртормп. sJf7 .Манжета методов измерения АД показывает,Камера - Г- ЛҐ-Датчик Манячто одним из перспективных с точкизрения применения дляРис.2.18 мониторирования АД является такназываемый тонометрический метод. Однако известные реализации метода критичны к точности позиционирования датчика давления относительно артерии. Рассмотрим один из возможных путей конструктивного улучшения прибора, реализующего данный метод. Схематично предлагаемая конструкция показана на рис.2.18 и во многом напоминает обычную конструкцию тонометра с той лишь особенностью, что под манжетой помещена камера, представляющая собой полость, заполненную жидкостью. Через камеру датчик воспринимает давление, развиваемое в мягких тканях конечности под действием пульсирующей артерии. За счет манжеты в мягких тканях создается некоторое начальное давление, которое будем обозначать через Рмто- Поскольку манжета прижимает камеру к мягким тканям, то начальное давление в камере также равно Рмто.
Рассмотрим ряд вариантов поведения системы при различных предположениях относительно свойства сжимаемости мягких тканей. 1. Пустьмягкие ткани несжимаемы (такое предположение не соответствует действительному свойству мягких тканей, но оно полезно для понимания процессов, происходящих при сдавливании мягких тканей манжетой). В этом случае датчик давления воспринимает давление, развиваемое в мягких тканях.
Для того, чтобы понять, как изменяется давление мягких тканей при изменении артериального давления, посмотрим на график зависимости объема артерии от избыточного давления внутри ее (рис.2Л 9). При артериальном давлении Pa(t) = Ран объем поскольку объем манжеты не меняется, мягкие ткани по предположению не сжимаются, а стенки артерии не напряжены (так как повышение давления началось при Р = 0).
Таким образом, если под манжету поместить полость с жидкостью, с которой сообщается датчик, то артериальное давление можно измерять непосредственно датчиком.В предположении, что мягкие ткани не сжимаются, будет то же самое.
В этом случае, в предположении о несжимаемости мягких тканей картина изменения давления мягких тканей будет соответствовать рис.2.20. Когда артериальное давление Pa(t) выше начального значения Рмт0 давления мягких тканей (заданного начальным сжатиемманжеты), давление мягких тканей повторяет артериальное давление. На участках, где Pa(t) Рмт0і артерия схлопывается, и давление мягких тканей под манжетой падает до атмосферного давления
(так как суммарный объем трех сред - мягких тканей, артерии и полости с жидкостью - становится меньше объема манжеты).
Таким образом, если бы мягкие ткани конечности действительно были бы несжимаемы, то при условии было бы возможно прямое измерение артериального давления с помощью датчика, воспринимающего давление от полости с жидкостью, помещенной под манжету.
Далее найдем выражение для давления в камере с учетом реальных свойств мягких тканей, т.е. с учетом того, что часть мягких тканей вытесняется из под манжеты при повышении давления, что равносильно по эффекту влияния на рассматриваемые процессы наличию свойства сжимаемости мягких тканей. Для того чтобы сравнить два варианта конструкции тонометра, для начала предположим, что камера на рис.2 Л 8 наполнена воздухом, и к ней подключен датчик. Пусть также при внешнем давлении, созданном подкачкой воздуха в камеру и равном Рат объемы камеры, мягких тканей и артерии равны соответственно VKQ, VMfn0 и Va0, Для пояснения того, что представляет собой объем Va0, рассмотрим рис.2.21, где изображена кривая зависимости объемного расширения артерии от избыточного давления. При нулевом внешнем давлении (точнее при атмосферном давлении) рабочая точка на кривой объемного расширения соответствует среднему артериальному давлению (примерно середина интервала от нижнего Ран до верхнего Рав значений артериального давления).
При внешнемдавлении Рк, равномзначению Ранз рабочая точкасмещается влево так, чтопри Ра = Рам избыточноедавление равно 0. Объемартерии при этом равензначению, обозначенномуРис.2.21 выше по тексту и на рисункекак Vao. Крутизну зависимости объемного расширения на линейном участкебудем характеризовать отношениемгде v - отнесенное к Va0 значение объемного расширения, вызываемого избыточным давлением, равным Рав - Раи.
Преобразователь температуры в ЧИМ-сигнал с использованием терморезистора в режиме стабилизации температуры
В работе [37] предлагается система стабилизации температуры терморезистора применительно к задаче ее использования при построении термоанемометров. Поскольку система решает ту же задачу, что и схема, представленная на рис.3.2, она может использоваться для построения термометра, как в равновесном, так и в неравновесном режиме. Ее достоинством является то, что для управления температурой терморезистора на питающую диагональ моста подается не постоянное напряжение, а импульсный сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Такое техническое решение обеспечивает два преимущества: удобную для дальнейшего использования (например, преобразования в цифру) форму представления выходной информации и линейную зависимость информативного параметра ШИМ-сигнала от температуры объекта измерения. Но имеется и существенный недостаток. Система идентифицирована авторами как замкнутая импульсная система с переменными параметрами. Переменные параметры (в число которых входит и преобразуемая величина) исключают возможность подбора оптимальных с точки зрения быстродействия значений параметров. Если несколько модифицировать схему преобразователя температуры в ШИМ-сигнал, то можно устранить упомянутый недостаток.
Функциональная схема предлагаемого автором устройства представлена на рис.3.5 [38]. Терморезистор RTx, постоянные резисторы R и R ,3, а также управляемый резистор R , задающий температуру терморезистора RTx, включены в мостовую схему. Мост питается постоянным напряжением, которое поступает через резистор R0 от источника опорного напряжения ИОН, Кроме того, при срабатывании порогового устройства на основе операционного усилителя ОУ1 на управляющий вход ключа Кл подается импульс стабильной длительности от формирователя ФИ. В результате на питающую диагональ мостовой схемы наряду с постоянным напряжением подается короткий импульс с амплитудой, существенно превышающей постоянное напряжение. Операционный усилитель ОУ2 инвертирует напряжение, поданное на верхнюю точку питающей диагонали моста, и тем самым обеспечивает симметричное относительно нуля двухполярное напряжение питания моста. Одновременно благодаря ОУ2 левая точка измерительной диагонали моста виртуально заземляется. В течение фазы открытого состояния ключа происходит активный нагрев терморезистора, в оставшееся время цикла работы терморезистор охлаждается (в предположении, что его температура выше температуры окружающей среды или объекта измерения). Постоянная составляющая питающего мост напряжения, подключенная через резистор R,,, не должна где TRt и Тх - значения температуры термоэлемента и объекта измерения; Р — мощность, рассеиваемая на терморезисторе за счет нагревания собственным током; Я - коэффициент теплообмена между термочувствительным элементом и объектом измерения; q — теплоемкость термоэлемента (она равна произведению массы на удельную теплоемкость).При замене дифференциалов малыми приращениями получим:
Для определения значений AT и At рассмотрим временную диаграмму на рис.3.6, где изображены процессы в схеме рис.3.5. Верхняя эпюра соответствует изменению напряжения на выходе ключа Кл, а нижняя — изменению температуры термоэлемента. Начало и конец некоторого цикла (например, (л+1)-го) соответствуют моментам срабатывания нуль-индикатора (ОУ1). Это обуславливает равенство приращений температур (по модулю) в фазах нагревания (интервал постоянной длительности to) и охлаждения (интервал переменной длительности тз). Следовательно, с учетом формулы (3.14) можно записать уравнение: Учитывая, что т2+ to = Тц (Тц - длительность цикла преобразования), получим (N+1)-M цикл N-й цикл Таким образом, частота импульсов является линейной функцией преобразуемой температуры Тх. Теперь рассмотрим Рис.3.6 электрические процессы в схеме рис .3.5, используя для пояснения временную диаграмму на рис.3.7. На интервале to (N+l)-ro цикла под действием импульса обратной связи амплитудой UQ происходит интенсивный нагрев терморезистора. Вследствие пропорционального температуре изменения его сопротивления появляется разбаланс моста, который достигает значения U0 к моменту окончания импульса обратной связи. По окончании интервала to напряжение питания моста становится равным Uc, мощность, рассеиваемая на терморезисторе, уменьшается в (Uo/Uc) раз, в результате чего, во-первых, разбаланс моста уменьшается до значения Uc (в Ug/Uc раз меньше по сравнению с /Д а, во-вторых, терморезистор начинает охлаждаться, и в момент времени, соответствующий Рис.3.7 концу (№-1 )-го цикла мост приходит в равновесие, срабатывает пороговое устройство, и описанные процессы в схеме повторяются. При выводе функции преобразования (3.17) предполагалось, что нагрев терморезистора происходит только за счет короткого импульса обратной связи длительностью to, рассеивающего на терморезисторе мощность Р. Но в реальной схеме для того, чтобы можно было фиксировать равновесное состояние моста на питающую диагональ, помимо импульса обратной связи, подается постоянное напряжение Uc (см. временную диаграмму рис.3.7). С учетом данного обстоятельства реальная функция преобразования имеет существенно более сложный вид. Для вывода реальной функции преобразования запишем уравнение (3.15) с учетом указанного обстоятельства и параметров схемы:
Безманжетный пальцевой тонометр с оптоэлектронным датчиком пульсовых колебаний
Показанная нами (насколько можно судить по известным нам публикациям, впервые в мировой практике) принципиальная возможность создания безманжетного тонометра была побудительным стимулом для поиска новых конструктивных решений. Одна из таких конструкций схематично показана на рис.4.7.
Вдоль левой стенки корпуса в специальных направляющих скользит подвижный кронштейн в форме буквы «П», положенной набок. На верхней горизонтальной части кронштейна прикреплен прижим с закругленным углублением. Пружина стремится опустить кронштейн вниз, оказывая тем самым давление на фалангу пальца, помещенного между прижимом и манжетой (нами оставлено такое название для данной детали тонометра, так как функционально ее назначение аналогично назначению воздушной манжеты в традиционных тонометрах). Манжета представляет собой ленту из мягкого материала, концы которой прикреплены к двум проволочным дужкам, так что при помещении пальца на манжету, последняя охватывает его с трех сторон. Форма проволочных дужек и закрепление на них концов манжеты хорошо просматривается на отдельном рисунке, выполненном в аксонометрии и помещенном в правом верхнем углу рис.4.7. Как видно, дужки могут свободно поворачиваться вокруг своих осей, входящих в отверстия прямоугольного основания, закрепленного на конце консольной тензометрической балки. Таким образом, консольная балка, как и в вышеописанном варианте конструкции, воспринимает давление пальца в процессе измерения.
Основное отличие рассматриваемого технического решения состоит в том, что пульсовые колебания воспринимаются в данном случае с помощью оптопары. Для этого в манжету по одну сторону от пальца вмонтирована микролампочка, а по другую - фототранзистор. Переменная составляющая фототока с точностью до постоянного коэффициента повторяет кривую объемного расширения артерии, по которой и фиксируются моменты достижения внешним компенсирующим давлением значений систолического и диастолического АД.
Процесс измерения АД осуществляется в следующей последовательности. С помощью дужек подвижная часть перемещается вверх, тем самым создавая первоначальный натяг пружины, а также создавая возможность вставить палец (третью фалангу) в пространство между прижимом и манжетой. Одновременно с перемещением вверх подвижного кронштейна происходит сжатие сильфона, при этом воздух из сильфона выталкивается через специальный выпускной клапан (на схеме рис.4.7 не показан). После помещения пальца дужки отпускаются, и под действием пружины начинается процесс медленного повышения давления на палец со стороны прижима подвижного кронштейна. Скорость изменения давления определяется скоростью наполнения сильфона воздухом через специальный впускной канал в основании сильфона. Скорость зависит от усилия, развиваемого пружиной, и длины (при постоянном сечении) впускного канала. Скорость может регулироваться за счет изменения длины впускного канала (соответствующие конструктивные элементы на схеме рис.4.7 также не показаны).
Для наглядности слева на рис.4.7 показано состояние рассматриваемой конструкции в конечной стадии процесса измерения АД (пружина уменьшила свою длину, а сильфон, напротив, растянут на величину изменения длины пружины).
Для нормального функционирования системы регулирования скорости изменения давления, очевидно, необходимо выполнить условие:где F(t) - сила, развиваемая пружиной; S - площадь поперечного сечения сильфона; р — атмосферное давление.
Неравенство (4.1) должно быть сильным, так как это упрощает конструкцию регулируемого канала впуска воздуха в сильфон. Нами применялось простейшая конструкция в виде резьбового отверстия в основании сильфона (высота его подбиралась надлежащим образом), в которое ввинчивался на необходимую глубину винт. Таким образом, канал для впуска воздуха в сильфон представляет собой спиралевидную щель переменной регулируемой длины. Меняя глубину ввинчивания винта, можно подбирать необходимую скорость втекания воздуха в сильфон и тем самым скорость перемещения подвижного кронштейна, а в конечном счете скорость компрессирования артерии. Желательно, чтобы внешнее компенсирующее давление было линейной функцией времени. Поскольку пружина по мере перемещения подвижного кронштейна меняет свою длину, развиваемое ею усилие уменьшается по мере перемещения кронштейна. Вследствие этого линейность указанной зависимости нарушается. Очевидно, что для уменьшения нелинейности необходимо обеспечить возможно пружины в исходном для измерения АД состоянии.
На рис.4.8 показана фотография макета механической части тонометра, а на фотографии рис.4.9 - то же в процессе измерения. Следует заметить, что ограниченные технологические возможности не позволили изготовить макетный образец в соответствии с элементарными требованиями по дизайну. Этим же объясняются и габаритные размеры макета. Следует также обратить внимание на то, что реальная конструкция несколько отличается от схематичной, показанной на рис.4.7. Отличие состоит в том что в реальной конструкции подвижная часть выполнена не в виде линейно перемещающегося кронштейна, а виде рычага с угловым перемещением, что позволило практически исключить влияние трения скольжения кронштейна на точность измерения.
Функциональная схема рассматриваемого варианта тонометра (представлена на рис.4.10) несколько отличается от схемы рис.4.3 тем, что в нем введен дополнительный канал преобразования сигнала пульсовых колебаний от оптоэлектронного датчика.
Сигнал с тензометрического датчика консольной балки поступает на усилитель давления УсД, а сигнал с выхода фототранзистора - на усилитель пульса УсП, Выходы усилителей подключены ко входам микроконтроллера МК (типа Ріс 14000). Микроконтроллер запрограммирован на поочередное подключение сигналов с усилителей на вход внутреннего АЦП интегрирующего типа, осуществляющего преобразование с частотой 25 раз в секунду. Выходной код АЦП подается на вход СОМ-порта персонального компьютера. Функциональная схема усилителя УсД представлена на рис.4. И.
