Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений
1.1 Обзор методов измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений
1.1.1 Пальпаторный метод измерения артериального давления 17
1.1.2 Метод «тонов Короткова» 17
1.1.3 Осциллометрический метод измерения артериального давления
1.1.4 Метод пульсовой волны 23
1.1.5 Сравнительный анализ методов измерения артериального давления
1.2 Обзор современных средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений
1.2.1 Применение аналоговых приборов для измерения артериального давления и частоты пульса
1.2.2 Применение цифровых приборов для измерения артериального давления и частоты пульса
1.2.3 Применение суточного мониторирования артериального давления
1.3 Современное состояние вопроса обеспечения единства измерений артериального давления и частоты пульса
1.4 Современное состояние вопроса применения эталонных установок для поверки средств измерений артериального давления и частоты пульса
1.5 Биофизические особенности сердечно-сосудистой системы человека
Выводы по первой главе 58
Глава 2. Теоретические аспекты построения моделей, применяемые в гемодинамике
2.1 Характерные особенности математических моделей гемодинамики
2.2 Гидравлическая модель течения жидкости в цилиндрическом канале конечного размера
2.3 Математические модели гемодинамики, применимые к вопросам проектирования эталонных установок для поверки средств измерений артериального давления
2.4 Вопросы теории колебаний потока жидкостив цилиндрическом каналеконечного размера
Выводы по второй главе 84
Глава 3. Разработка поверочной установки для средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений
3.1 Конструктивные особенности установки для комплектной автоматизированной поверки измерителей артериального давления
3.2 Средства для исследования гидродинамических потоков жидкости
3.2.1 Генератор переменного расхода 92
3.2.2 Пульсатор расхода 98
3.3 Динамические характеристики генератора переменного расхода 105
3.4 Анализ погрешности измерительного канала давления поверочной установки
3.5 Устойчивость поверочной установки для средств измерений артериального давления
Выводы по третьей главе 118
Глава 4. Разработка нормативных документов для поверочной установки средств измерений артериального давления
4.1 Общие проблемы обеспечения единства измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений
4.2 Особенности поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса
4.3 Вопросы разработки локальной поверочной схемы для автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса
4.4 Вопросы разработки методики поверки на поверочную установку артериального давления и частоты пульса
Выводы по четвертой главе 134
Выводы и основные результаты работы 135
Список использованных источников 137
Приложения 150
- Обзор современных средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений
- Гидравлическая модель течения жидкости в цилиндрическом канале конечного размера
- Средства для исследования гидродинамических потоков жидкости
- Особенности поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса
Введение к работе
Актуальность темы. С 70-80-х годов в массовом количестве начали производиться цифровые измерительные приборы артериального давления (АД). В основу этих приборов заложен осциллометрический метод измерения, при котором с помощью электронного датчика давления и микропроцессора анализируются колебания давления воздуха в компрессионной манжете, вызванные пульсациями артерий. Применение электронно-цифровых приборов АД исключает субъективный фактор в получении результата измерения, однако ввиду не очень высокой достоверности результатов измерений применение их в клинических условиях пока сдерживается.
Проблемам определения кровяного давления и разработкам измерительных устройств для определения давления посвящены работы И.М. Сеченова, Н.С. Короткова, Л.И. Ускова, М.В. Яновского, А.И. Яроцкого, Н.Н. Савицкого, Л.Г. Серкина, Э. Марея, С. Рива-Рочи и др. В современной литературе широко известны работы А.Г. Аракчеева, А.Н. Рогозы, В.Е. Прокопенко, В.А. Гогина и др.
В настоящее время в медицинских учреждениях России эксплуатируется более 10 млн. приборов и, как показывают данные госнадзора, процент неповеренных средств измерений медицинского назначения по-прежнему очень высок (30-70%). Причины такого состояния, как в метрологической компетенции эксплуатирующего персонала, так и в отсутствии поверочной базы и методик поверок в центрах стандартизации и метрологии.
Ввиду того, что средства измерения, применяемые в области здравоохранения, входят в сферу распространения государственного контроля и надзора, необходима объективная оценка точности выполняемых с их помощью измерений. В настоящее время действующие нормативные
документы ГОСТ Р 51959.1-2002, ГОСТ Р 51959.2-2002, ГОСТ Р 50.2.032-2004 регламентируют требования, соответствующие требованиям рекомендаций МОЗМ R 16-1 и R 16-2, как к общим техническим условиям средств измерений артериального давления (АД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС), так и к государственному метрологическому контролю за этими средствами измерений, в частности прописывая вопросы поэлементной поверки этих средств измерений.
Комплектная поверка средств измерений АД позволяет существенно сократить время поверки, удешевить ее, увеличить процент выборки при выпуске из производства больших партий средств измерений АД и увеличить производительность поверочных установок.
Таким образом, разработка средства для комплектной автоматизированной поверки максимального количества применяемых в России типов средств измерений АД, а также разработка проектов нормативных документов, представляются актульными. Решению данных задач и посвящена настоящая диссертация.
Цель работы: повышение точности поверки средств измерений артериального давления с использованием комплектного подхода. *
В рамках данной работы решается основная задача разработки метода генерации пульсирующего потока жидкости различных форм и амплитуд, позволяющего повысить точность поверки измерителей артериального давления. Это задача распадается на следующие подзадачи:
1. Разработать модель пульсирующего течения в артерии, сжатой компрессионной манжетой.
2. Разработать установку для комплектной поверки измерителей
артериального давления.
3. Разработать генераторы переменного расхода для создания
колебаний потока жидкости при различных сечениях ротора и
геометрических формах его выходных окон и определить формы и
амплитуды генерируемого расхода.
Провести теоретическую оценку точности поверочной установки для измерителей артериального давления.
Разработать локальную поверочную схему для измерителей артериального давления, которая обеспечивает передачу размера единиц давления и частоты рабочим средствам измерений с требуемой точностью.
Разработать методику поверки на установку для комплектной поверки измерителей артериального давления.
Методы исследования. В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались эмпирические и теоретические методы: математическое моделирование, теория автоматического управления, гидравлика, проектирование контрольно-измерительных оборудований, планирования эксперимента. Обработка результатов экспериментов выполнялась методами математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов, экспертизами ФИПС с выдачей патентов РФ, а также обеспечивается практическим внедрением на предприятии, подтвержденным актом внедрения.
Научная новизна работы.
С целью повышения точности поверки измерителей артериального давления впервые предложен и научно обоснован метод генерации пульсирующего потока жидкости различных форм и амплитуд, основанный на использовании различных вариантов исполнения роторов в генераторе переменного расхода.
Разработана двумерная математическая модель гемодинамики в артерии, сдавленной компрессионной манжетой, позволяющая решить вопрос об однозначной трактовке выбора места проведения измерений АД.
3. Разработана локальная поверочная схема для измерителей
артериального давления, обеспечивающую одновременную и
взаимосвязанную передачу размера единиц давления и частоты рабочим
средствам измерений артериального давления.
4. Разработана методика поверки на установку для комплектной
поверки измерителей артериального давления, использующая предложенный
метод генерации пульсирующего потока при различных сечениях ротора и
геометрических формах его выходных окон.
Практическая значимость работы:
1. Разработанная установка для комплектной автоматизированной
поверки измерителей артериального давления позволяет сократить время
поверки одного прибора, удешевить ее и увеличить производительность
поверочных работ.
2. Разработанные генераторы переменного расхода позволяют
достигнуть ряд ценных качеств: снизить погрешность в результате
измерений за счет уменьшения перепада давления; устранить наличие
гидравлического удара; расширить возможности получения расхода
жидкости различных форм и амплитуд за счет различных исполнений форм и
сечений ротора.
3. Результаты диссертационной работы внедрены на ряде предприятий
в виде отдельных узлов. Новизна и полезность технических решений
подтверждены патентами РФ.
На защиту выносятся:
1. Двумерная математическая модель гемодинамики в артерии,
сдавленной компрессионной манжетой.
2. Метод генерации пульсирующего потока жидкости различных форм
и амплитуд и устройства для его осуществления.
3. Установка для комплектной автоматизированной поверки
измерителей артериального давления.
Результаты экспериментальных исследований пульсирующего течения в измерительном канале поверочной установки.
Локальная поверочная схема для измерителей артериального давления.
Методика поверки на установку для комплектной поверки измерителей артериального давления.
Апробация работы. Диссертация или отдельные ее разделы докладывались на международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения», Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004; на II Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005; на международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань, 2006; на международной научно-технической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России», КГЭУ, 2006; на III международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2007; на международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ - ПРОМ 2007», Екатеринбург, 2007; на всероссийской конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», посвященной 75-летию КГТУ, Казань, 2007.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 23 печатных работах, в том числе 3 статьи в реферируемых журналах, включенных в список ВАК РФ, 2 патента на изобретение, 3 патента на полезную модель и одно положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 111 наименований, двух приложений.
Работа без приложений изложена на 157 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков, 15 таблиц.
Личный вклад автора. Автором предложен метод генерации потока жидкости в измерительном канале, на основе которого были разработаны генераторы переменного расхода. Автор непосредственно участвовал в разработке и создании автоматизированной установки для комплектной поверки измерителей артериального давления, а также в проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель исследования, изложены основные научные результаты и положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе «Современное состояние проблемы измерения
артериального давления и частоты сердечных сокращений» дан обзор и
проведен сравнительный анализ методов и средств измерений артериального
давления и частоты пульса, рассмотрены эталонные средства, используемые
для поверки и калибровки средств измерений артериального давления,
проанализировано их метрологическое обеспечение. ' {
В измерительные приборы артериального давления заложены, как правило, следующие методы измерения: аускультативный (метод тонов Короткова), осциллометрический или метод «пульсовой волны». Анализ этих методов показал, что наиболее перспективным методом измерения остается метод «пульсовой волны», который заложен, как правило, в отечественных измерительных приборах, но они не выпускаются серийно в связи с экономическими затруднениями заводов - изготовителей. Наибольшее распространение получили цифровые измерительные приборы, использующие осциллометрический метод измерения.
Возможность одновременного измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений, удобства обработки результатов измерений, исключения субъективного (человеческого) фактора при измерении,
простоты пользования этими приборами дают несомненное преимущество
над механическими, использующие аускультативный метод измерения
артериального давления. К недостаткам цифровых приборов можно отнести
нестабильность измеряемых физических величин, связанную с
погрешностью осциллометрического метода измерения (величина
методической погрешности в отдельных случаях может достигать 40 мм рт.ст.).
Согласно Законам РФ «О техническом регулировании» и «Об обеспечении единства измерений» измерения, проводимые в области здравоохранения, входят в сферу распространения государственного контроля и надзора, поэтому поверка, как первичная, так и периодическая, средств измерений артериального давления и частоты пульса, необходимое условие их эксплуатации.
Поверка механических средств измерений проблем не вызывает. Датчики давления или манометры, входящие в состав этих средств измерений, поверяются с помощью грузопоршневого манометра МП-0,4 с верхним пределом измерений 300 мм рт.ст. класса точности 0,2 или автоматического задатчика давления «Воздух-1,6» с верхним пределом измерений 160 кПа класса точности 0,05. Поверка осуществляется по Р 50.2.032-2004 «ГСИ. Измерители артериального давления неинвазивные. Методика поверки».
Наряду с совершенствованием алгоритмов обработки давления в цифровых приборах, развивается и эталонная база для поверки этих средств измерений. Большой опыт поверки таких приборов накоплен в Центре испытаний и сертификации в Санкт-Петербурге (ФГУ «Тест-С.-Петербург») и в Москве (ВНИИОФИ). Эти поверочные установки предусматривают проведение поэлементной поверки, что существенно увеличивает время самой поверки, невозможностью одновременного снятия показаний давления и частоты. К таким установкам относятся:
1) разработанные во ФГУП ВНИИОФИ УПКД и УТЖЧП с
погрешностью 0,8 мм рт.ст. по давлению и 1,5% по частоте;
анализатор работы мониторов неинвазивного давления крови CuffLink с погрешностью 1 мм рт.ст. по давлению и 1% по частоте;
американская установка NIBP Monitor Tester фирмы «Bio-Tek Instruments» с погрешностью 1мм рт.ст. по давлению и 1% по частоте;
4) прибор для испытаний измерителей артериального давления ТЕ-
ВМР-01 OMRON с погрешностью 1 мм рт.ст. и задатчик пульсаций давления
в компрессионной манжете ПП ИАД-А-01 с погрешностью 1,5%, которые
используются только для поверки измерителей артериального давления
фирмы «OMRON».
При поэлементной поверке можно упустить из вида внутренние связи между отдельными узлами средства измерения, в комплектной же поверке средства измерения поверяются как единое целое. К таким установкам можно отнести установку УПАД-1 с погрешностью 0,15% по давлению и 0,15% по частоте, разработанную в ФГУ «Тест-Татарстан».
В конце первой главы дана постановка задач исследования.
Во второй главе «Теоретические аспекты построениям моделей, применяемые в гемодинамике» рассмотрены математические модели гемодинамики в сердечно - сосудистой системе. Однако они не позволяют получить удовлетворительных решений тех задач, которые возникают при измерениях артериального давления и частоты сердечных сокращений. Это связано с несоответствием граничных условий рассматриваемых математических моделей, в качестве которых принимается предположение о том, что площадь поперечного сечения сосуда существенно зависит от давления крови в этом сечении.
В процессе проведения измерений артериального давления и частоты пульса рассматриваемая артерия оказывается сдавленной компрессионной манжетой, препятствующей изменению площади поперечного сечения данной артерии. Все применяемые методы измерений артериального
давления основываются на том, что давление крови в задействованной артерии совпадает с давлением воздуха в манжете. Таким образом, уже априори известно, что стенка сжатой артерии в процессе измерений не может деформироваться только под частью манжеты.
Решение задачи для пульсирующего ламинарного течения жидкости в жесткой трубе круглого сечения получено Ф. Шиманским и П. Лямбоси, и которое приведено также Л.Г. Лойцянским. Для гемодинамики решение данной задачи может быть использовано в качестве математической модели течения крови в артерии, сдавленной компрессионной манжетой, а также в кровеносных сосудах, потерявших свою эластичность. С этой целью рассмотрено двумерное уравнение нестационарного ламинарного движения вязкой жидкости в цилиндрической трубе круглого сечения с жесткими стенками.
В первом приближении решение некоторых задач исследования
характера течения крови в сосудах получено с применением методов
гидравлики. Рассмотрена система уравнений для неустановившегося
движения несжимаемой вязкой жидкости для определенного момента
времени. \
Рассмотрен процесс измерения с позиции гидравлики и показано, что измерения на запястье обеих рук и на плечевой артерии правой руки следует применять только для сравнительных исследований.
Проведенные исследования математических моделей гемодинамики позволяют сделать вывод о возможности смоделировать процессы, протекаемые в организме человека и, в частности, в предплечье, сжатой компрессионной манжетой, и реализовать в установке для поверки ИАД.
В третьей главе «Разработка поверочной установки для средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений» представлено описание установки для комплектной автоматизированной поверки неинвазивных сфигмоманометров, разработанной в соответствии с требованиями поставленных задач. Установка для комплектной поверки
средств измерения артериального давления и частоты пульса, содержит источник пульсаций давления, в состав которого входит насос и генератор переменного расхода. Создание пульсирующего с модуляцией по амплитуде и частоте потока осуществляется генератором колебаний жидкости, который содержит съемный ротор в виде цилиндра, соединенного с валом двигателя, цилиндрический статор с двумя выходными прорезями по образующей цилиндра на диаметрально противоположных сторонах, связанными с трубопроводами.
Генератор переменного расхода связан с насосом и с блоком управления. На выходе генератора переменного расхода имеются две жесткие трубки, образующие измерительный и байпасный каналы. Измерительный канал содержит сенсорную зону в виде гибкой эластичной трубки, имитирующей артерию руки человека и находящейся в полости цилиндра, имитирующего руку человека. Контроль давления и частоты в измерительном канале осуществляет рабочий эталон давления, передающий сигнал на блок управления. На цилиндр надевается компрессионная манжета поверяемого прибора. Стабильность давления в сенсорной зоне осуществляется блоком стабилизации давления. Установка содержит регулятор давления для компенсации давления во всей измерительной системе.
Частота пульсаций, обусловленная скоростью вращения ротора, изменялась дискретно в соответствии с конструктивными возможностями генератора расхода и равнялась 30, 60, 120, 180, 240 мин"1, а амплитуда пульсаций определялась величиной расхода на входе пульсатора. Среднее значение потока благодаря насосу постоянного расхода сохранялось постоянным в диапазонах изменений амплитуды и частоты.
В результате проведенных измерений был получен ряд кривых, характеризующих зависимость величины расхода от времени Q = f(r).
Рассмотрено два варианта исполнения генераторов переменного расхода и показан характер пульсаций в измерительном канале поверочной установки при использовании этих генераторов:
а) съемный ротор генератора переменного расхода усечен различными
линейчатыми поверхностями
б) когда съемный полый ротор генератора переменного расхода
выполнен с различными формами выходных окон, которые выполнены в
виде шестиугольника, пятиугольника, восьмиугольника, трапеции, квадрата,
треугольника и круга.
Из теоретических и экспериментальных исследований были определены формы и сечения ротора, обеспечивающие максимальную амплитуду генерируемого расхода, что приводит к выработке лучшего для анализа сигнала и к уменьшению методической составляющей погрешности измерений.
Представлены результаты исследования метрологических
характеристик измерительных каналов давления и частоты, получено, что относительная погрешность канала давления определяется погрешностью цифрового комплекса для измерения давления (ИПДЦ), которая не превышает 0,15 %, а относительная погрешность канала частоты определяется погрешностью генератора и частотомера и не превышает 0,1%.
В четвертой главе ««Разработка нормативных документов для поверочной установки средств измерений артериального давления» рассмотрены основополагающие документы, которые должны отражать вопросы содержания и построения поверочной схемы для средств измерений артериального давления и частоты пульса, порядка проведения испытаний средств измерений для целей утверждения типа и на соответствие утвержденному типу.
Разработанная локальная поверочная схема для цифровых приборов должна быть иной, чем для неавтоматизированных средств измерений АД. Это объясняется принципиальной разницей в методах измерений. В
цифровых приборах измерения артериального давления и частоты пульса происходят одновременно и взаимосвязано на основании анализа изменений осцилляции давления воздуха в компрессионной манжете, поэтому для обеих измеряемых величин передача размеров единиц должна происходить одновременно. Разрабатываемая поверочная схема учитывает такую специфику автоматизированных средств измерений.
В поверочную схему включены следующие средства измерения: калибратор давления PC 6 с погрешностью 0,025%, генератор сигналов инфранизких частот ГЗ-110 с относительной погрешностью дискретной установки частоты ±3-10"7, а также дополнительные средства измерения, которые регламентированы МИ 1835-88.
Существующие методики поверки регламентируют, как правило, методы и средства поверки изделий одной фирмы, причем методика очень сложна и требует от поверителя довольно высокой квалификации и больших затрат времени, поскольку многие операции из-за сомнений приходится повторять.
В работе представлен проект методики поверки на поверочную установку для средств измерений артериального давления и частоты пульса, который выполнен с соблюдением всех требований нормативной документации РМГ 51-2001 и содержит все обязательные разделы, требуемые этим документом.
В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов в диссертационной работе.
В приложении представлены акты внедрения и приведен проект методики поверки на установку для комплектной поверки средств измерений артериального давления
Обзор современных средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений
В последние годы, современные средства измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений для медицинской визуализации развиваются по двум основным направлениям.
С одной стороны появляются средства измерений сложные и такие, как, например, магниторезонансные томографы, содержащие измерительные каналы артериального давления и частоты сердечных сокращений и являющиеся по существу мощными измерительными системами на базе компьютеров, что дает большие возможности для анализа результатов измерений. Промышленность выпускает также различные установки, выполненные на базе регистрирующих осциллографов, проведенные с помощью них измерения имеют более высокую достоверность, но фиксация результатов измерений в виде осциллограмм, записанных на специальной бумаге, дает меньше возможностей для анализа.
С другой стороны, интенсивно развиваются и простые средства измерений, так называемые приборы для измерений кровяного давления. Они не сложны в обращении и имеют приемлемую точность. Такие приборы могут изготовляться на основе показывающих манометров, тогда все операции проводятся вручную, и проводить измерения могут лица, имеющие определенные знания и опыт работы. Измерения частоты пульса в таком случае проводится отдельно с применением секундомера.
В последнее время в приборах для измерения артериального давления стали применять манометры с токовым или частотным выходом, что позволило операции измерения частично или полностью автоматизировать, также совместить эти измерения с измерением частоты сердечных сокращений (пульса). Такие приборы имеют много названий: в официальной международной терминологии они называются неинвазивными сфигмоманометрами, в обиходе - тонометры. В работе будет использоваться термин - измеритель артериального давления (ИАД).
В настоящее время устойчивый спрос имеется на все средства измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений как на самые сложные, так и на самые простые. Одни приобретаются крупными-и средними медицинскими учреждениями для проведения комплексных стационарных обследований, другие для проведения экспресс диагностики во всех лечебных учреждениях, либо на дому.
Если рассматривать средства измерений артериального давления частоты пульса с самых общих позиций, то их можно разделить на две больших группы: аналоговые и цифровые. В стационарных медицинских учреждениях при наличии квалифицированного персонала применяются в основном сложные аналоговые приборы на базе осциллографов. В полученных при измерениях, записях разобраться может только квалифицированный кардиолог. Эти приборы достаточно сложны, громоздки и имеют не очень удобную систему регистрации измерений. Вместе с тем, именно на аналоговых измерительных приборах получают в большинстве случаев в настоящее время всю самую подробную и достоверную информацию о работе сердца. И именно по этой информации принимаются решения о назначении пациенту лечебных процедур терапевтического или операционного характера.
Цифровые средства измерения, хотя и уступают в настоящее время аналоговым по достоверности измерений, но значительно удобнее их в эксплуатации. С помощью цифровых средств проще проводить измерения, принимать, а если нужно, и без искажений передавать сигналы измерительной информации. Это стало возможно благодаря тому, что выходной сигнал цифровых приборов является определенным стандартным дискретным кодом, специально предназначенным для удобства организации процессов регистрации, запоминания, вычислений, передачи и управления. Кроме того, цифровые средства измерения могут быть очень компактными и работать в автоматическом режиме по заданной программе.
Анализ состояния на рынке средств измерений артериального давления и частоты пульса показывает, что цифровые измерительные приборы в последнее время развиваются значительно интенсивнее аналоговых. Однако, еще достаточно продолжительное время и цифровые, и аналоговые приборы будут существовать совместно.
Основной особенностью аналоговых приборов является наличие аналогового отсчетного устройства с выходной величиной в виде линейного перемещения или угла поворота указателя. Устройством сравнения в простейших аналоговых приборах является глаз и ухо наблюдателя, поэтому здесь при проведении отсчетов возникает субъективная погрешность, связанная с разрешающей способностью приборов и индивидуальными особенностями зрения оператора. У сложных аналоговых приборов осуществляется запись измерений на осциллограф, в том числе с памятью и на другие устройства с твердым носителем информации (бумага и т.п.).
Исторически аналоговые приборы для измерений артериального давления появились значительно раньше цифровых. Вместе с тем, такие виды приборов как: осциллограф с оптической регистрацией, зеркальный фоторегистрирующий осциллограф Н.Н. Савицкого [84], артериальный осциллограф Л.С. Серкина [89], а также спиртовой артериальный осциллометр, приспособление к электрокардиографу для записи осциллограмм, и на сегодняшний день позволяют получать самые достоверные результаты измерений артериального давления и частоты пульса. Последующие разработки осциллографов, серийно выпускаемых промышленностью, усовершенствовались только по линии удобства применения. Особенно это касается записи результатов измерений на бумажный или другой носитель с тем, чтобы повысить разрешающую способность осциллограмм для их углубленного изучения. Такими приборами оснащено большинство клиник и поликлиник, где имеется квалифицированный персонал.
Гидравлическая модель течения жидкости в цилиндрическом канале конечного размера
В первом приближении решение некоторых задач исследования характера течения крови в сосудах можно получить, применяя методы гидравлики. Движение крови в сосудах, если не касаться источника энергии, приводящей ее в движение, есть одна из форм механического движения, но движение в достаточной степени сложного, тем более что здесь встречаемся не только с поступательной, но и с колебательной его формой.
Если свойства крови (ее удельный вес, вязкость, плотность) можно принять для данного организма за достаточно постоянные величины, то свойства кровяного русла, скорость и объем кровотока как в организме целом, так и в различных сосудистых областях в зависимости от условий существования организма непрерывно меняются [84].
Для того, чтобы заставить жидкость двигаться в каком-либо направлении, необходимо создать некоторую разницу уровней ее в начале и в конце системы - разницу давлений. В системе кровообращения такое состояние возникает в результате работы сердца. Энергия, освобождаемая сердечной мышцей, в основном расходуется на преодоление сопротивления по передвижению крови в сосудах. Чем меньше будут потери на трение, тем меньше будет расход энергии; передвижение необходимой массы крови по сосудам будет происходить при относительно меньшей разнице давления.
Работу сердечно-сосудистой системы с чисто механической точки зрения упрощенно можно представить следующим образом. Кровь в организме служит агентом, поставляющим его клеткам кислород и питательные вещества. Для этого к клеткам должен быть подведен и отведен от них в единицу времени определенный объем крови, т.е. для нормального функционирования организма должно обеспечиваться создание потребного расхода крови. Это происходит при постоянном сокращении сердца, т.е. благодаря его насосной функции. Подвод крови к клеткам организма осуществляется по совокупности кровеносных сосудов, которые представляют собой трубки различных длин и диаметров. Переход на этапе подачи крови от самого крупного кровеносного сосуда (аорты) до самых мелких (капилляров) происходит последовательным дроблением более крупного кровеносного сосуда на несколько более мелких. Отвод крови от клеток происходит в обратной последовательности, т.е. кровь из мелких сосудов последовательно вливается в более крупные [30].
При рассмотрении модели гемодинамики с позиции гидравлики должны выполняться следующие допущения: 1) кровь является несжимаемой жидкостью. Ее плотность и вязкость величины постоянные. Это обеспечивается стабильностью температуры крови, а влиянием, оказываемым различием ее химического состава в каждом конкретном случае, пренебрегается; 2) течение в кровеносном сосуде одномерное, т.е. распределение скоростей и давлений по поперечному сечению кровеносного сосуда не учитывается, а поток характеризуется только средними по поперечному сечению значениями величин; 3) кровеносный сосуд является упругим с постоянными свойствами. Сосуд тонкостенный, конечной длины и изменение площади поперечного сечения кровеносного сосуда под воздействием избыточного внутреннего давления пренебрежимо мало.
Видно, что введение таких допущений связано с внесением как систематических, так и случайных составляющих методических погрешностей больших, или меньших в зависимости от конкретного пункта. Однако принятая модель вполне приемлема для проведения самого общего анализа вопросов, касающихся измерений АД и ЧСС.
Что касается \ и & то исследований, применимых для медицины, практически нет. В технической литературе зависимостей для коэффициента X много, но в подавляющем большинстве эти зависимости предназначены для металлических труб. Там все более или менее понятно: коэффициент X есть функция числа Рейнольдса и коэффициента шероховатости внутренней поверхности трубопровода.
Есть исследования и для труб из синтетических материалов из полиэтилена и полипропилена, последние по своим абразивным характеристикам внутренней поверхности при отсутствии отложений, очевидно, ближе, чем металлические, к кровеносным сосудам, также не имеющим отложений. Но точных данных, подтверждающих это, нет. Если же на стенках трубок имеются отложения, то проблема значительно усложняется, так как состав и характер отложений в кровеносных сосудах иной, чем на технических объектах, поэтому возможны только качественные аналогии, которые заключаются в следующем.
Коэффициент гидравлического сопротивления X кровеносных сосудов, имеющих на своих стенках различные отложения, больше, чем у "чистых" сосудов, поэтому и потери энергии в них на преодоление сопротивления трения по длине Y,hd.t также будут больше. Увеличению потерь энергии способствует еще один фактор, отложения уменьшают диаметр проходного сечения d, который находится в знаменателе. Кроме того, в более суженных из-за отложений сосудах, при одинаковом расходе крови О , скорость и будет увеличиваться и потери энергии hdl тоже. С определением коэффициента , вопрос остается полностью открытым. Местные сопротивления, такого вида, как в кровеносной системе в технике не встречаются (это характерные ветвления артериальных трубок на более мелкие, либо такие же слияния в случае вен).
Средства для исследования гидродинамических потоков жидкости
Средства для исследования гидродинамических потоков жидкости можно представить в виде следующей классификации: 1) искусственные клапаны сердца, которые позволяют создать сложный характер течения жидкости, возникающего за клапанами [25]. Для исследования гидродинамики потока жидкости существует более десятка механических конструкций искусственных клапанов сердца. Гидродинамические характеристики клапанов играют важную роль в проблеме создания и применения искусственного желудочка сердца и искусственного сердца; 2) генераторы переменного расхода [12,13,76] относящиеся к конструкции устройств для создания в потоке жидкости периодических колебаний синусоидальной формы при исследовании динамических характеристик расходомеров, которые мы будем рассматривать ниже.
Если колебательный процесс создается генератором переменного расхода (пульсатором расхода), установленным в точке разветвления трубопровода и байпасной линии, то колебания будут происходить на параллельных участках гидравлического тракта колебательного контура и не будут распространяться далее вниз по потоку схода линии трубопровода и байпасной линии. Благодаря этому можно добиться экономии энергетических ресурсов, так как при этом колебательный процесс происходит ограниченной массе жидкости, заключенной в колебательном контуре. Такие колебательные контуры широко применяются в промышленности при различных метрологических поверках счетчиков жидкости и расходомеров.
Исследования, которые в настоящее время проводятся для создания пульсирующего потока, являются одной из наиболее сложно решаемых задач. Как правило, такие исследования проводятся с целью разработки искусственного сердца на основе пульсирующего динамического насоса и их можно разделить на две группы:
1) установка переменного сопротивления в виде баллона в аорте или упругих специальных вставок на выходе из насоса, которые управляются с помощью внешнего источника переменного давления (компрессора и вакуум-насоса);
2) изменение частоты и направление вращения рабочего колеса насоса и, следовательно, расхода осуществляется с помощью сложной электронной системы управления.
Исследование пульсаций потока жидкости так же является основным направлением при определении метрологических характеристик средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений.
Как правило, существующие генераторы переменного расхода [12, 13, 76] предназначены только для воспроизведения синусоидального пульсирующего потока жидкости, в генераторах такой конструкции имеют место перепады давления, что вносит дополнительные погрешности в результаты испытаний, связанные с наличием гидравлического удара.
Ввиду этого представляется необходимым разработка генераторов расхода, имеющие лучшие характеристики по сравнению с прототипами. Основная цель разработки - уменьшение погрешности в результате измерений за счет уменьшения перепада давления и устранения гидравлического удара. Основное назначение разработанного генератора — расширение функциональных возможностей, заключающихся в получении колебаний расхода жидкости различных форм и амплитуд. Это достигается за счет различных исполнений форм ротора в генераторах переменного расхода: а) съемный полый ротор пульсатора расхода выполнен с различными формами и количеством окон. При этом рассматривались формы выходных окон ротора, выполненные в виде различных многоугольников; б) съемный ротор генератора переменного расхода усечен различными линейчатыми поверхностями. Рассмотрены четыре сечения ротора.
Создание пульсирующего с модуляцией по амплитуде и частоте потока достигалось введением в поверочную установку специально сконструированного генератора колебаний жидкости (пульсатор).
В данном разделе будет рассмотрен генератор переменного расхода с несколькими вариантами сечений ротора. Генератор, изображенный на рис. 15, содержит съемный ротор 1 в виде цилиндра, цилиндрический статор 2 с двумя выходными прорезями 6 по образующей цилиндра на диаметрально противоположных сторонах. Внутренняя полость статора 2 связана с входным трубопроводом 3, подающим контролируемую среду, и через прорези 6 сообщается с трубопроводами 4 и 5. Ротор 1
Динамическая градуировка измерительной системы проводится генератором переменного расхода, работающего в автоматическом режиме под управлением персонального компьютера. Даны примеры градуировочных амплитудно-частотных характеристик измерительной системы, которые зависят от среднего давления в точке измерения.
Градуировка генератором переменного расхода проводится в 5 контрольных точках, причем величины расхода и давления зависят от того сечения, которое используется при градуировке измерительной системы. Отметим, что эти контрольные точки при градуировке измерительной системы соответствуют пяти поверочным точкам при метрологической аттестации средств измерений артериального давления и частоты пульса.
В качестве экспериментального исследования была выбрано сечение ротора, указанного на рис. 166. Для данного сечения была построена экспериментальная характеристика и характеристика, полученная теоретическим путем. В качестве экспериментальной установки использовалась установка для поверки крыльчатых счетчиков воды [67], в которой использовался данный генератор переменного расхода. По двум каналам проходил поток, изменяющийся от минимального до максимального номинального расхода. Измерения частоты при изменении величины потока в каналах снимались по частотомеру 43-63/1 с погрешностью ±5-10"7.
Особенности поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса
Согласно определению РМГ 29 - 99 поверка средств измерений - это установление полномочным органом пригодности средств измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия обязательным установленным требованиям. В табл. 15 отражены типы ИАД различных фирм, участвующие в опробации модели передачи давления (сенсорной зоны) в экспериментальной установке УПАД-1, внесенной в Госреестр СИ.
Поверка средств измерений, предназначенных для применения в области здравоохранения, имеет чрезвычайно важное и ответственное значение. В полной мере это относится и к автоматизированным средствам измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений, по поверке которых в настоящее время существует множество проблем. Часть из них, касающаяся поверочного оборудования, рассмотрена в предыдущих главах данной диссертации. В настоящем разделе рассмотрены вопросы поверки сфигмоманометров, которые необходимо решить для выполнения требований законов России «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании». Это заключается в разработке и узаконении требуемых нормативных документов, а также создании действенных механизмов их выполнения, отслеживаемых по линии государственного метрологического контроля и надзора.
Применительно к вопросам поверки сфигмоманометров это означает действенный государственный метрологический контроль на всех ступенях передачи размера единиц артериального давления и частоты сердечных сокращений в соответствии с государственной поверочной схемой, которую необходимо разработать и утвердить.
Поверка средств измерений, применяемых в области здравоохранения, имеет свои особенности, основная из которых заключается в повышенном значении ошибок поверки второго рода. И это не случайно, признание годным к применению по результатам поверки заведомо негодного средства измерений, может привести к тяжелым последствиям для здоровья, и даже жизни человека.
Поэтому в данном разделе диссертации основное внимание уделено анализу возможных причин возникновения ошибок поверки второго рода и вопросам организации мероприятий, проводимых по линии государственного метрологического контроля и надзора, направленных на устранение таких ошибок при поверке.
Показатели качества поверки рабочих средств измерений устанавливаются нормативным документом МИ 187 - 86 «ГСИ. Средства измерений. Критерии достоверности и параметры методик поверки».
Установленные данным нормативным документом критерии исходят из того, что достоверный результат поверки явление вероятностное с доверительной вероятностью меньше единицы, то есть допускается вероятность возникновения погрешности самой поверки. Результат поверки рассматривается как объединение двух вероятностных распределений погрешности поверки и погрешности поверяемого средства измерений. Данный подход, в принципе, универсален и позволяет получить достаточно обобщенные зависимости без относительного вида измерений. Недостаток здесь общий для всех вероятностных методов: если нет никаких предварительных статистических данных, то применение априорных гипотез может привести к возникновению существенной погрешности.
Исходя из поставленных целей, принято различать следующие виды поверки: 1) поверка, при которой устанавливается новое значение меры, вводятся поправки или устанавливается новая градуировочная характеристика; 2) поверка, при которой происходит отбраковка средств измерений по пределам основной допускаемой погрешности; 3) поверка, при которой происходит отбраковка нестабильных средств измерений, а затем градуировка остальных.
В настоящее время для автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты сердечных сокращений реально осуществить только второй, самый простой вид поверки. При этом способе поверки передачи размера единицы физической величины от эталонного средства измерений к поверяемому фактически не происходит. После поверки, признанное годным средство измерений, передается в эксплуатацию с теми же метрологическими характеристиками, имевшимися до поверки. Назначение такого вида поверки - отбраковка неисправных с метрологической точки зрения средств измерений.
Представляется правомерным сначала на должном уровне наладить процесс поверки сфигмоманометров по самому простому варианту, смысл которого состоит в установлении заключения относительно поверяемого прибора, годен или негоден к применению. В первом случае погрешности измерительных каналов давления и частоты находятся в пределах допускаемых значений. Во втором случае погрешность хотя бы одного измерительного канала выходит за пределы допускаемых значений. После решения проблемы поверки в таком ракурсе, можно будет уже ставить, и решать задачи поверки более высокого уровня.
