Модуль артериального давления диагностической системы магнитотерапевтического комплекса

 

3. Выбор и обоснование  метода, принимаемого в основу  разработки

Поскольку измеритель артериального  давления входит в состав магнитотерапевтического комплекса, то нужно выбрать автоматизированный метод измерения давления. Из трех вышеперечисленных методов наиболее подходит осциллометрический метод, так как все измерения давления проводит микроконтроллер.

Кроме того, осциллометрический метод является устойчивым к различным шумовым  воздействиям. Например, посторонние  звуки мешают измерять давление аускультативным методом, но никак не влияют на осциллометрический.

Измерители  артериального давления в клинических  условиях наиболее часто применяются  для суточного мониторинга давления у тяжело больных людей. Осциллометрический метод является наиболее подходящим для суточного мониторинга давления, потому что, как показывает практика, он дает наименьший процент неудачных измерений.

Исходя  из технического задания, выбираем осциллометрический метод измерения артериального  давления.

В осциллометрическом методе в качестве датчика давления будем использовать тензометрический датчик.

Чувствительным  элементом тензодатчика является тензорезистор. Работа тензорезисторов основана на тензоэффекте - свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление при механических деформациях, возникающих под действием приложенной силы. Тензодатчики часто используют в различных технических устройствах для измерения давления.

Сопротивление резистора определяется известным выражением:

,                                                                                                          (3.1)

где - удельное сопротивление проводника;  – длина проводника; - площадь поперечного сечения проводника.

В физике деформация тел описывается законом  Гука. Если проводник имеет длину  и при деформации его длина меняется на величину , то справедливо равенство:

                                                                                       (3.2)

где - механическое напряжение тела; - относительная деформация;  - модуль Юнга.

Механическое  напряжение находится следующим  образом:

,                                                                                                          (3.3)

где – внешняя сила, под воздействием которой тело деформируется, - площадь сечения тела. Механическое напряжение измеряется в паскалях и численно равно давлению, действующему на тело.

Тензоэффект характеризуется изменением сопротивления резистора на величину . Отношение

                                                                                             (3.4)

называется  тензочувствительностью. Тензочувствительность показывает связь между относительной деформацией и относительным изменением сопротивления тензорезистора.

Выразим механическое напряжение тела через тензочувствительность:

                                                                            (3.5)

Поскольку напряжение численно равно измеряемому давлению, а величины и являются константами (для конкретного тензорезистора), то, измерив относительное изменение сопротивления тензорезистора, можно определить давление.

Качество  тензорезисторов  определяется их коэффициентами тензочувствительности и величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) . Чем выше коэффициент тензочувствительности и чем меньше температурный коэффициент сопротивления (ТКС) материала, из которого изготовлен тензорезистор, тем выше его качество.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые  тензорезисторы.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 -  Проволочный тензорезистор.

Проволочные тензорезисторы выпускаются в виде проводников, жёстко связанных с бумажной или пленочной основой 2. Проводник 3 представляет собой зигзагообразно уложенную Ni-Cu или Ni-Cr проволоку диаметром менее 20-30 мкм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются выводы (медные проводники 4). Проводники закрываются бумагой, плёнкой или лаком 1. После наклеивания подложки тензорезистора на исследуемую деформируемую поверхность деформация этой поверхности передаётся проводникам и приводит к изменению их сопротивления.

В отличие  от проволочных фольговые тензорезисторы имеют чувствительный элемент в виде тонких полосок фольги прямоугольного сечения толщиной 3-6 мм, которые также наносятся на пленочную основу. Материал – сплав Ni-Cu или Ni-Cr. Эти датчики имеют малые размеры и изготовлены методом фототравления, что обуславливает относительно низкую стоимость. Основными преимуществами фольговых тензорезисторов являются возможность образования тензорешёток любой формы и эффективный отвод тепла в процессе измерений, что позволяет получить больший входной сигнал. Фольговые тензорезисторы также мало чувствительны к поперечным деформациям. Тензочувствительность фольговых тензорезисторов примерно соответствует проволочным.

Полупроводниковые тензорезисторы отличаются от проволочных и фольговых значительно более высокой чувствительностью (в 50-60 раз). Изменение сопротивления такого тензопреобразователя при деформации доходит до 50% их номинальной величины. Для тензорезисторов чаще применяют кремниевые и германиевые полупроводники, так как они обладают высокой тензочувствительностью, химически инертны, обладают достаточной температурной стабильностью и позволяют изготовить датчики любой формы. Полупроводниковые тензорезисторы при очень большой тензочувствительности (около 100) обладают нелинейной функцией преобразования и высокой температурной чувствительностью.

Наилучшими  эксплуатационными характеристиками обладают фольговые тензорезисторы, которые имеют хорошую температурную стабильность, линейную функцию преобразования и невысокую стоимость.

На качество работы фольговых тензорезисторов оказывает влияние переменное магнитное поле, вызывая магниторезистивный эффект.

Магниторезистивный  эффект (эффект Гаусса) – изменение  удельного сопротивления проводниковых  и полупроводниковых материалов в магнитном поле.

При помещении  образца прямоугольного сечения  из проводникового или полупроводникового материала в магнитное поле и  пропускании по нему электрического тока, направление которого перпендикулярно  вектору индукции магнитного поля, сопротивление образца будет  возрастать -поперечный эффект Гаусса. Если магнитное поле направлено параллельно направлению тока, то наблюдается продольный эффект Гаусса. При продольном эффекте изменение сопротивления незначительно.

Изменение удельного сопротивления вызвано  тем, что носители заряда, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. Скорости носителей заряда различны и подчиняются распределению  Ферми-Дирака. В результате этого  поперечное поле Холла компенсирует влияние силы Лоренца только на носители заряда, имеющие среднюю скорость V. Поэтому траектория носителей заряда со скоростью, большей или меньшей скорости  V, будет искривлена, что приведет к увеличению числа столкновений (уменьшению длины свободного пробега) и тем самым – к повышению удельного сопротивления проводника. Зависимость удельного сопротивления от магнитной индукции в большом диапазоне изменения индукции можно описать формулой:

,                                                                              (3.6)

- удельное сопротивление  при =0;

  - постоянная;

μ – магнитная проницаемость вещества.

Из (3.6) следует, что при малых ( удельное сопротивление квадратично зависит от индукции , а при больших значениях индукции удельное сопротивление достигает насыщения.

В качестве датчика давления выбираем фольговый тензорезистор KFN5-350-C9. Элемент этого тензорезистора выполнен из специального сплава, обеспечивающего снижение магниторезистивного эффекта. Форма тензорезистора разработана таким образом, чтобы устранять индукцию. В сочетании эти особенности позволяют использовать данный тензорезистор для получения точных значений деформации в условиях воздействия магнитного поля переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15 - Фольговый тензорезистор KFN5-350-C9.

Характеристики  KFN5-350-C9:

Коэффициент тензочувствительности:

Диапазон  температур: от 0 до +150˚С

Сопротивление:

Максимальная  относительная деформация: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Разработка структурной схемы  модуля артериального давления  в составе диагностической системы

Структурная схема магнитотерапевтического комплекса представлена на рисунке 16.

Рисунок  16 - Структурная схема магнитотерапевтического комплекса

На схеме  обозначено: Д1 – группа датчиков для снятия показателей жизнедеятельности человека, Д2 – датчики для измерения реальных параметров магнитного поля в аппарате, Д3 – датчики биоритмов пациента, ИДС – измерительно-диагностическая система.

Комплекс  предназначен для приема с ПЭВМ и  запоминания конфигурации магнитного поля с последующим автономным формированием  силовых токов для питания  индукторов магнитоскана на время такта, паузы и цикла магнитотерапевтического комплекса.

Комплекс  состоит из следующих блоков:

1. ЭВМ, программно совместимая с IBM.
2. Интерфейс с АЦП, встраиваемый в ЭВМ и имеющий следующие характеристики:
• цифровые сигналы: 8 бит – данные, 2 бита – сопровождение;
• аналоговые сигналы: 8 каналов, диапазон ± 2 В, разрядность 12 бит, частота дискретизации – 10 кГц.
3. Блок управления, в память которого от ЭВМ заносится массив конфигурации магнитного поля и который по команде  включается в работу, формируя силовые токи для питания индукторов магнитоскана.
4. Магнитоскан – специальная кушетка с индукторами для формирования динамического магнитного поля вокруг пациента.
5. Датчики диагностики, которые формируются в зависимости от решаемой задачи и в стандартном наборе включают: датчики температуры, реограммы, кардиосигналов, давления крови и др.
6. Диагностическая аппаратура, которая содержит усилительно-преобразующие устройства, воспринимающие сигналы с датчиков и формирующие нормированные сигналы для подачи на АЦП.

Контроль  за отпуском процедур магнитотерапии, а также объективная оценка результатов лечения требуют проведения операций измерения параметров магнитного поля и ряда физиологических показателей организма пациента.

 

 

Структурная схема модуля измерения артериального  давления пациента выглядит следующим  образом (рис. 17):

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17 - Структурная схема модуля измерения артериального давления.

БО –  биологический объект;

ДД –  датчик давления;

МК –  микроконтроллер;

ЭВМ –  электронно-вычислительная машина.

Датчик, прикрепленный к манжете, крепится к внутренней части локтевого сгиба. Используется тензометрический датчик.

Сигнал  с датчика проходит через усилитель  и  фильтр,  далее идет на АЦП  микроконтроллера.

АЦП, встроенный в микроконтроллер, разбивает сигнал на цифровые отсчеты. Эти отсчеты  заносятся в память вместе с информацией  о пациенте, введенной с устройства ввода на приборе. Микроконтроллер управляет работой прибора в целом.

 

 

 

 

 

5. Описание и расчёт функциональной  схемы, описание работы модуля  артериального давления

Функциональная  схема устройства представлена в приложении.

На тело человека наложена компрессионная манжета, в которую пневматическая система  накачивает воздух. Управление пневматической системой осуществляется автоматически  с использованием микроконтроллера.  При накачивании воздуха манжета  сжимает конечность и пережимает проходящие в ней сосуды.

Давление  в манжете измеряется с помощью  тензодатчика, электрический выходной сигнал которого после предварительного усиления обрабатывается двумя различными цепями.

Колебания давления в манжете возникают, когда  давление в ней приближается к  систолическому. Эти колебания усиливаются по мере уменьшения давления в манжете, достигая максимальной величины в тот момент, когда это давление становится равным среднему артериальному давлению. При уменьшении давления в манжете ниже этой величины амплитуда колебаний давления уменьшается пропорционально скорости уменьшения давления в манжете.

Систолическое давление определяется по увеличению амплитуды пульсаций  давления в манжете, происходящему  в тот момент, когда среднее  давление в манжете становится несколько  меньше систолического давления (рис. 18, точка 1)