автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование и разработка термоэлектрических преобразователей для инвазивного измерения скорости кровотока

ГЛАВА I. Физические непрямые методы количественной оценки скорости кровотока, их краткий анализ. Задачи исследования

§1.1. Характеристика соответствия современным медико-техническим требованиям методов и средств оценки параметров кровотока.

§ 1.2. Феноменологическая оценка предельных возможностей применяемых тепловых преобразователей скорости кровотока. Предпосылки использования полупроводниковых термоэлектрических преобразователей.

§ 1.3. Некоторые особенности теплофизики полупроводниковых термоэлектрических преобразователей информации о массопотоке. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА П. Исследование термоэлектрического измерительного преобразователя скорости кровотока и обоснование его основных параметров. Метод расчета преобразователя.

§ 2.1. Стационарное двухмерное температурное поле в преобразователе. Критерий применимости одномерных моделей.

§ 2.2. Нестационарный перенос тепла в термоэлектрическом преобразователе информации при.его взаимодействии с пульсирующим кровотоком.

§ 2.3. Нестационарный перенос тепла в термоэлектрическом преобразователе информации при его взаимодействии с гармоническим кровотоком.

ГЛАВА Ш. Анализ динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИ11СК.

§ 3.1. Передаточная функция и структурная схема ТЭИПСК

§ 3.2. Переходная функция ТЭИПСК.

§ 3.3. Оценка погрешностей измерений ТЭИПСК.

ГЛАВА 1У. Экспериментальные исследования тепловых процессов работы ТЭИПСК и оценка ряда его параметров, характерных для преобразователей информации.

§ 4.1. Методы и средства экспериментальных исследований процессов теплопередачи в ТЭИПСК.

§ 4.2. Проверка расчетных данных стационарного и нестационарного теплопереноса в ТЭИПСК.

§ 4.3. Методы и средства экспериментальных исследований динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИПСК.

§ 4.4. Экспериментальная проверка.динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИПСК.

ГЛАВА У. Применение термоэлектрических измерительных преобразователей скорости кровотока в медицине.

§ 5.1. Измерения, осуществляемые с помощью катетерных датчиков скорости кровотока.и.других устройств на основе ТЭИПСК.

§ 5.2. Метод символьного отображения процессов гемодинамики.

§ 5.3. Исследование работы.искусственного желудочка и протезов клапанов сердца.

§ 5.4. Исследование уродинамики верхних мочеточников с помощью комплексного катетерного датчика.

В современной экспериментальной и клинической медицине для более точных измерений линейной и объемной скоростей кровотока и ударного и минутного объемов кровообращения применяются инвазив-ные методы, основанные на применении катетерных датчиков. Измерение этих параметров с повышенной точностью является весьма важным для уточнения диагноза ряда заболеваний сердца, интраоперационной оценки эффективности выполненной хирургической коррекции пороков сердца [I], для оценки степени регургитации крови через его митральный и аортальный клапаны ,[2] обнаружения атоматозных поражений сосудов

Для реализации катетерных методов в нашей стране с 1981 года освоен в производстве электромагнитный катетерный датчик [4j, которым комплектуется расходомер крови "РКЭ-З". Объем выпуска этого расходомера за I98I-I983 годы составил около 380 штук.

За рубежом катетерные методы оценки параметров гемодинамики применяются весьма широко. Так, только катетерных датчиков для измерения методом терморазведения минутного объема кровообращения было продано в 1981 году на мировом рынке около 400 тыс. штук на сумму более 40 млн.долларов Цб]. На производстве катетерных датчиков для измерения параметров кровотока за рубежом специализируются целые фирмы или их отделения. Наиболее передовой является фирма "Миллар Инструменте" США, которая в последние годы стала также выпускать комплексные катетерные датчики, например, для синхронного измерения давления крови и скорости кровотока [б].

Несмотря на высокую стоимость (от 2 до 10 тыс. долларов), эти датчики быстро завоевывают признание врачей-кардиологов, так как обеспечивают получение взаимно коррелированной и, соответст-вено, более достоверной информации [7].

В настоящей работе показана перспективность использования полупроводниковых термоэлектрических материалов для изготовления катетерных датчиков скорости кровотока [8], позволяющих осуществлять количественную оценку кровотока простыми тепловыми методами.

На основе литературного обзора катетерных методов исследования кровотока и оценки предельных возможностей известных тепловых преобразователей выбрана схема датчика скорости кровотока.

Разработана теоретическая модель адекватная изучаемым физическим процессам, установлены количественные соотношения между пространственно-временными характеристиками тепловых полей, возникающих в датчике, и его физико-техническими и метрологическими параметрами.

Произведена экспериментальная проверка расчетных данных, дана оценка преобразователей по характерным критериям, приведены методики экспериментов.

На основе разработанных измерительных термоэлектрических преобразователей скорости кровотока созданы катетерные датчики, и другие устройства для медико-биологических экспериментов и клиниче ской практики.

Данная работа направлена на выполнение задания 01.II программы работ на I98I-I985 годы по решению общесоюзной научно-технической проблемы (0.18.05 - медицинское приборостроение), утвержденной постановлением Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 12.12.80 г. }Ь 472/248, что также указывает на ее актуальность.

На защиту выносятся:

1. Целесообразность применения поликристаллических полупроводников типа теллуридов висмута, имеющих анизотропные тепловые свойства, в качестве материала для создания тепловых катетерных измерительных преобразователей скорости кровотока.

2. Математическая модель, с помощью которой изучены зависимости между пространственно-временными характеристиками тепловых полей преобразователя и его физико-техническими и метрологическими параметрами.

3. Предложенная и реализованная конструкция катетерного термоэлектрического преобразователя, отвечающего медико-техническим требованиям, и обеспечивающего измерение с повышенной точностно скорости кровотока, а также расхода крови, ударного и минутного объемов кровообращения.

ВЫВОДЫ

1. Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности использования поликристаллических полупроводниковых термоэлектрических материалов с анизотропными тепловыми свойствами для изготовления катетерных термоэлектрических преобразователей скорости кровотока и определен тип материала - теллуриды висмута, свинца и других металлов.

2. Разработана методика исследования указанных преобразователей, учитывающая особенности условий его работы, неадиабатичн ность процессов теплопереноса и анизотропию теплопроводности материала, основанная на раздельном описании по соответствующим одномерным моделям переноса тепла в преобразователе при его взаимодействии со стационарным, импульсным и гармоническим тепловым воа-действием среды. Установлены критерии применимости одномерных моделей.

3. Обоснованы и определены аналитические зависимости динамических свойств и габаритов преобразователя и нагревателя, его энергетических характеристик от тепловых процессов взаимодействия преобразователя со средой.

4. Определена структура преобразователя и исследованы его динамические свойства и погрешности измерений. На основании этих исследований оптимизирована структура преобразователя, разработаны методы коррекции нелинейности выходной характеристики, компенсации систематической и динамической погрешностей.

5. Разработаны, в значительной мере адекватно отражающие условия работы преобразователя, методики и стенды для экспериментального изучения процессов теплообмена и теплопередачи в преобразователе, исследования его динамических свойств и погрешностей измерений.

6. Разработан метод расчета ТЭИПСК,

7. Реализована конструкция миниатюрного катетерного термоэлектрического измерительного преобразователя скорости кровотока, и на основе этого преобразователя созданы соответствующие датчики, обеспечивающие измерение скорости кровотока в диапазоне 10-100 см/с с погрешностью измерений менее 7 % в кровеносных сосудах диаметром от 4 мм и более, а также измерение расхода крови в диапазоне 15 мл/с 4- 2 л/мин с погрешностью измерений менее 6 % в кровеносных сосудах диаметром до 1,5 мм.

8. По результатам выполненой работы разработана соответствующая часть медико-технических требований на приборный комплекс с комплексным катетерным датчиком для инвазивного измерения скорости кровотока и давления крови в сердце и крупных сосудах (работа направлена на выполнение задания важнейшей научно-технической программы 0.18.05 на I98I-I985 годы).

9. Разработан метод диаграммного отображения процессов гемодинамики, основанный на использовании комплексного катетерного датчика и позволяющий оценивать эффективность выполненной хирургической коррекции пороков сердца, состояние миокарда, насосную функцию сердца.

10. Кроме основанного назначения - для применения в кардиологии и кардиохирургии, разработанные катетерные датчики и метод символьного отображения информации оказались также эффективными для исследования уродинамики.

1. Зарецкий В.В., Константинов Б.А., Сандриков В.А., Черепенин J1.IL Дмитриев Н.П. Интраоперационная оценка гемодинамики у больныхс поражением аортальных клапанов. Кардиология, 1975, А©, с. I3I-I32.

2. Сандриков В.А., Князев М.Д., Стегайлов Р.А., Боровков А.И. Интраоперационная гемодинамика у больных с предынфарктной стенокардией и острым инфарктом миокарда. Кардиология, 1975, М, с. 63-67.

3. Blood Ploiroieter of the firm "Albury Instruments Ltd.". Hospital Equipment and Supplies, v.4, 1980, p. 9-11.

4. Экспонаты СССР на международной выставке "Здравоохранение-80" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1980. - 198 с.

5. Biomedical Business International Jornal, 1981, p. 17.

6. Millar Microtip Catheter Velocity Pressure Transducers /Millar Instruments Inc. - USA, 1979. -Юр.

7. Сандриков В.А. Интраоперационная оценка гемодинамики, сократительной функции миокарда и критерии адекватности коррекции приобретенных и врожденных пороков сердца. Дис. . докт. мед. наук. - М, 1980, - 320 с.

8. Скорохватов А.С., Симонов В.А. Измеритель скорости кровотока.- Новые методы получения электроэнергии, 1980, М, с.6 7.

9. Диагностическая и терапевтическая техника /Под общ. ред. В.С.Маята. М.: Медицина, 1969. - 520 с.

10. А.с. 410769 (СССР). Баллистокардиограф / А.Б. Венедиктов.- Опубл. в Б.И., 1974, 1&.

11. Изделия медицинской промышленности. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1980. 94 о.

12. Экспонаты СССР на международной выставке "Здравоохранение^" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1974. - 192 с.

13. Equipment "Dataspir" model EDV /ЮО-S/ Erich Jaeqer GmbH.- W. Germany, 1980. 6 p.

14. Ear Oximeter "Biox II A"/Biox Techology Inc. - Sweden, 1981.- 4 p.

15. Методы исследования кровообращения /Под общ. ред. Б.И. Тка-ченко. Л.: Наука, 1976. - 232 с.

16. Изделия промышленности средств связи. Каталог. М.: ЦОНТИ "ЭКОС", 1979.- 36 с.

17. Flowrograph mod. ECH/Hartman and Braun. prg, 1978. - б p.

18. A.c. I8I240 (СССР). Фотоплетизмограй / В.С.Мошкевич, О.Г.Герасименко. Опубл. в Б.И., 1966, Ш.

19. Pie thy smo graph "Periquant 3000"/LPM U. G. Gutmann. - Sv/eden, 1980. - 6 p.

20. Экспонаты СССР на международной выставке "Кардиология-82" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1982. - 48 с.

21. Reoplethysmograph "1С1\Г 41"/ГШюп Kahden. - Japan, 1980.- 4 p.22. 8 canal poligraph "EM-86"/Nihon Kohden. - Japan, 1981. - 6p,

22. Gamma camera "Gamma 1oo"/Siemens. - W.Germany, 1981.-12 p.

23. Электронная промышленность. Научно-технический сборник, 1982,с. 64-65.

24. Ultrasound Sistem. МК 500A/Advanced Technology Laboratories Ins Ins. USA, 1982. - 2 p.

25. Nilsson G.E., Tenland Т., Oberg P.A. A New Instruments for Continuous Measurement of Tissue Blood Plow by Light Beating Spectroscopy.- Biomedical Engineering , 1980, Щ, p. 12.

26. Арефьев И.М., Еськов А.П. Метод спектроскопии оптического смешения в диагностике микроциркуляций крови. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 1981, .£, с. 244-246.

27. Nuclear Magnetic Resonanse Tomograph "BHT-1000»/3ruker Medi-zintechnick GmbH. W. Germany , 1982. - б p.

28. Вышатина A.M., Геращенко O.A. О возможности количественной оценки изменений тканевого кровотока термоэлектрическим методом. В кн.: Физиология сердечного выброса. Киев, Наукова думка, 1968, с. 67-74.

29. Darlyene В.В. Hon-Invasive Measurement of Blood Oxygen Levels.- American Journal of Medical Technology, v.48, 1982. I>T5, p. 355-359.

30. Тищенко М.И. и др. Характеристика и клиническое применение интегральной реографии нового метода измерения ударного объема. - Кардиология, 1973, Ml, с. 54-62.

31. I Советско-Американский симпозиум по медицинской технике (Москва, 24-26 сент. 1981 г.): Докл. Мухарлямов Н.М. и др. Современные методы и аппаратура для комплексных исследований кровообращения. М.: ВНИШМТ, 1981. - 16 с.

32. A ITew Instruments for Measurement of Blood Plow "Benuamin II" /Labomed GmbH. --W. Germany, 1981. 10 p.

33. Микроскопы биологические и люминесцентные. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1976. - 18 с.

34. Hicroskope "Vickers M17"/Joyce Loebl.- England, 1981. 12 p.

35. Gamma-camera "Dina M0"/Picker International. USA, 1981.- 10 p.

36. Flowvograph mod. 4212/Hartman and Braun. V/. Germany, 1980.

37. Oximeter "LAB-405806"/Labomed Gmbh. W.Germany, 1980. - 6 p.

38. A.c. 204492 (СССР). Прибор для полярографического определения напряжения кислорода в тканях тела / В.А.Березовский. Опубл. в Б.И., 1967, )!£2.

39. Polarograph "R0-4"/Guld Godart. Denmark, 1981. - 6 p.

40. Cardiomonitor "Layfscoup -8V/Nihon Kohden. -Japan, 1982.87P

41. Электронная промышленность, 1976, вып. 4, с. 12-13.

42. Экспонаты международной специализированной выставки "Ультразвук- 81" в СССР. Каталог. Вильнюс, ВДНХ Литовской ССР, 1981, с. 26-27.

43. А.с. 200III (СССР). Электромагнитный измеритель кровотока

44. А.Д.Хазан, Д.Г.Попов, Р.П.Черяпкина. Опубл. в Б.И., 1967, Мб.

45. А.с. 528853 (США). Электромагнитный измеритель скорости кровотока / Г.Д.Долл, Г.Дж.Бронер. Опубл. в Б.И., 1976, Г34.

46. Тищенко Ф.М. Оценка погрешности аналоговой регистрации кривых разведения и клиренса радионуклидов. Медицинская техника, 1982, И, с. 13-16.

47. Тищенко Ф.М., Соломка В.А. Оценка погрешности дискретного представления кривых клиренса разведения индикатора. Медицинская техника, 1983, Ж, с. 35-38.

48. Termodilution Cardiac Output Computer mod. KM 274/Lexington. - Belgium, 1980. - 10 p.49. 2 canal Electromagnetic Measuring instrument of Blood Plow' mod. МР-27/Nilion Konden. - Japan, 1980. - 12 p.

49. Hot-film anemometer velosity measurements of arterial blood fiow in horses. Circulation., Res. 34, 1979, 2T9, p. 193-203.

50. Children. Circulation, v. 44, 1971, 111, p. 910-913.

51. Лукьянов E.K. и др. Классификация датчиков диагностическиприборов. В сб.: Медицинское приборостроение, 1977, Ш, с. 6-10.

52. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения /Под ред. Р.И.Утямышева, М.: Радио и связь, 1981. - 344 е., ил.

53. Азизов A.M. Методические погрешности исследования случайных корреляционных процессов. Измерительная техника, 1969, Ш, с. 11-14.

54. Medical Electronics Eguipment Hews, v.20, 1980, Нб, p. 1-10.

55. Hitzan M., Weinreb A., Applebaum A., Teoretical Validation of the Thermal Dilution Method for Cardiac Output Determination. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, v. BME-27, 1980, Ж10, p. 613-618.

56. Смирнов А.Д., Гусаров Г.В., Весельников B.I. Изучение гемодинамики методом термодиллюции. Кардиология, 1970, МО, с. I2I-I25.

57. Руцкий II.Н., Санько Ю.П., Шашков А.Г. Термисторный термоанемометр. Изв.АН БССР, сер. физ.-техн., 1965, JH, с. 18-20. ,

58. Corver J. A. W.LI. , Kuiken G.D. С. , P. van der Mark and T.C.Jansen. Response to pulsative flow of a miniaturised electromagnetic blood flow sensor studied by means of a laser-Dopplermethod. Lied. Biol. Eng. and Сотр., v. 21 , 1983, N7, p. 65-71.

59. Шайв Д.Н. Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 176 е., ил.

60. Волошин И.Д. и др. Полупроводниковые термосопротивления.- Минск: АН БССР, 1959. 126 е., ил.

61. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.: АН СССР, 1956. - 218 е., ил.

62. Шашков Ю.М. Металлургия полупроводников. М.: Металлургиз-издат, I960. - 280 е., ил.

63. Гольщан Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3 М.: Наука, 1972. - 320 е., ил.

64. Лидоренко Н.С. и др. Комплексная оптимизация термоэлектрических охлаждающих устройств. Холодильная техника, 1977, М, с. 28-31.

65. Самойлович А.Г., Коренблит Л.П. Термоэлектрические токи в анизотропной среде. ФТТ, 1961, J83, с. 2054-2057.

66. Левин В.И., Гроссберг Ю.И. Дифференциальные уравнения математической физики. М.: Гостехиздат, 1951, - 220.с.

67. Бонч-Бруевич В.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.: Наука, 1977. 380 е., ил.

68. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И.Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979. - 495 е., ил.

69. Араманович И.Г., Левин И.В. Уравнения математической физики.- М.: Наука, 1964. 286 е., ил.

70. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1977. - 831 е., ил.

71. Лыкое А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.- 600 с., ил.

72. Киреев П.С. и др. Боковой теплоотвод в термоэлектрических ветвях охлаждающих устройств. Изв. АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1975, М, с. 19-22.

73. Азизов A.M. Простейшие термоприемники в условиях произвольно меняющихся во времени температуры среды и коэффициента теплоотдачи. Теплофизика высоких температур, т.5, 1967, 1й'4,с. 655-662.

74. Дейр Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. М.: Физматгиз, 1958. - 84 с.

75. Пелепейченко Н.П., Симбирский Д.Ф. Теплопередача цилиндра при поперечном обтекании потоком с гармоническим изменением скорости. Теплоэнергетика, 1963, JI8, с. 62-66.

76. Котляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970.

77. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.- М.: Наука, 1964. 608 е., ил.

78. Основы автоматического управления / Под ред. В.С.Пугачева.- М.: Наука, 1974. 719 с.

79. Керного В.В., Бабушкин Ф.М., Чипинский Э.Е. Основы автоматики и теория автоматического регулирования. Минск.: Высшая школа, 1972. - 407 е., ил.

80. Ващенко-Захарченко М.Е. Символические исчисление и приложение его к интегрированию нелинейных дифференциальных уравнений. Киев.: Наукова думка, 1962. - 240 с.

81. Азизов А.Н., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. -Л.: Энергия, 1975. 154 е., ил.

82. Измерения в промышленности. Справочник. /Под ред. П.Профоса.- М.: Металлургия, 1980. 647 е., ил.

83. Азимов Р.К. Измерительные преобразователи с тепловыми распределенными параметрами. Библиотека по автоматике. Вып. 583.- М.: Энергия, 1977. 84 е., ил.

84. Kreyszig Е. Statische Methoden und ihre Anwendungen. Van-denhoech. Ruprecht, 1974, n.8, p. 13-18.

85. Белиловский M.A., Немеровский Л.И., Сивачев А.В. Исследования пневмотахографа с трубкой Пито. Медицинская техника, 1983, Я, с. 26-31.

86. Коротков П.А., Беляев Д.В., Азимов Р.К. Тепловые расходомеры.- Л.: Машиностроение, 1969. 246 е., ил.

87. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид И. Механика кровообращения.- М.: Мир, 1981. 232 е., ил.