автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров

На правах рукописи

ПИСАРЕВ Аркадий Петрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТА И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТОНОМЕТРОВ И ТЕРМОМЕТРОВ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Специальность 05.11.01 — Приборы и методы измерения (электрические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2004

Работа выполнена на кафедре «Информационно-вычислительные системы» в Пензенском государственном университете.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Шахов Э. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Макарычев П. П.; кандидат технических наук Федонин А. И.

Ведущая организация - НИИ физических измерений, г. Пенза.

Защита диссертации состоится_декабря 2004 г.,

в_часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 в

Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Смогунов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приборы для измерения артериального давления (в последующем для краткости - тонометры) и медицинские термометры являются самыми применяемыми в лечебных учреждениях и в быту. Артериальное давление (АД) - важнейший показатель работы сердечно-сосудистой системы.

Отклонение температуры от нормального значения — первый признак огромного большинства заболеваний. Несмотря на это, качество 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. В последний годы на внутреннем рынке появились современные цифровые термометры зарубежных фирм «ОМРОН» (Япония), «SAAT» (Израиль), Health Instruments CO LTD (Китай) и др. Все они стоят дороже традиционных ртутных термометров. Большинство из них не лишено и основного недостатка аналоговых медицинских термометров — низкого быстродействия. Более быстродействующие инфракрасные термометры, как правило, предназначены для измерения температуры в местах (лоб, ушное отверстие), где ее значение существенно отличается от истинного значения.

Широко применяются тонометры, осуществляющие измерение АД на предплечье. Как правило, это неавтоматические аналоговые приборы, не удобные при измерении 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» (Швеция). По сравнению с неавтоматическими тонометрами, реализующими способ измерения, предложенный еще в начале прошлого века русским врачом Коротковым Н. С, цифровые тонометры являются заметным шагом вперед в направлении совершенствования данной группы измерительных приборов. Однако, отличаясь высокой степенью автоматизации, в метрологическом отношении они уступают классическим неавтоматическим тонометрам. Основным недостатком большинства тонометров является низкое быстродействие и необходимость полного пережатия артерии в процессе измерения, что приводит к искажению нормаль-

ной гемодинамической картины. Круглосуточное мониторирова-ние АД с помощью подобных приборов осуществить не удается, так как частые измерения приводят к нарушению кровоснабжения конечности больного.

Традиционно в рассматриваемой области в основном преобладал эмпирический подход к исследованиям, оставляющий нерешенным целый ряд перечисленных выше проблем. Особенностью живого организма как объекта измерения является то, что воздействие средства измерения резко искажает происходящие в нем естественные процессы. Поэтому совершенствование методов измерения невозможно без построения моделей взаимодействия средства и объекта измерения.

Цели и 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 используемых медицинских измерительных приборов — тонометров и термометров. Для достижения этой цели в работе решаются следующие основные задачи:

- систематизация методов измерения АД и температуры тела человека;

- разработка математической модели взаимодействия артерии, мягких тканей конечности и компрессионной камеры тонометра;

- сравнение вариантов восприятия датчиком давления пульсовых колебаний артерии с помощью модели, учитывающей степень сжимаемости мягких тканей;

- разработка математической модели теплообмена термочувствительного элемента с объектом измерения и окружающей средой;

- исследование возможности использования инструментальных средств имитационного моделирования для построения моделей объектов с переменными параметрами;

- разработка и исследование алгоритма измерения АД, обеспечивающего снижение времени измерения до одного цикла сердечного сокращения;

- разработка быстродействующего термометра и его исследование с использованием средств имитационного моделирования.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, численные методы, элементы математической статистики, теория идентификации модели, теория автоматического управления; имитационное моделирование, а также моделирование и экспериментальные исследования на реальных объектах.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается соответствием результатов теоретических исследований и расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Систематизированы методы измерения артериального давления и температуры живых организмов в терминах измерительной техники.

2. С использованием имитационного моделирования проверена гипотеза о реальном характере упругой характеристики артерии. Впервые разработана математическая модель системы «компрессионная камера — мягкие ткани конечности — артерия».

3. Предложен способ увеличения отношения сигнал/шум на выходе датчика давления, а также алгоритм вычисления значений АД косвенно через значения давления пульсовых колебаний.

4. Предложены простая схема стабилизации температуры терморезистора, в которой регулирующее воздействие на терморезистор осуществлено с помощью ЧИМ-сигнала, что обеспечивает линейную зависимость частоты от температуры объекта измерения, а также способ существенного снижения влияния дрейфа нуля операционных усилителей в схеме стабилизации температуры термосопротивления.

5. Впервые реализован тонометр без использования в нем пневматической манжеты. Предложен алгоритм фиксации верхнего и нижнего значений АД, обеспечивающий достаточно высокую стабильность показаний тонометра при повторных измерениях АД одного и того же испытуемого.

6. Предложен способ построения медицинского термометра, не имеющего аналогов по быстродействию.

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 макет-

ных 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 аналогичного принципа действия был изготовлен в НИИ физических измерений (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Медицинские приборы и оборудование» Пензенского государственного медицинского института Пензенского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная математическая модель, описывающая процессы, происходящие в системе «компрессионная камера - мягкие ткани — артерия» при реализации традиционного способа измерения АД, позволяет уточнить признаки равенства внешнего компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям измеряемого давления.

2. Исследование математической модели системы «компрессионная камера - мягкие ткани - артерия» показывает возможности увеличения отношения сигнал/шум в автоматических цифровых тонометрах путем уменьшения объема компрессионной камеры, либо путем изменения способа восприятия пульсаций давления.

3. Предложенное программное решение проблемы определения амплитуды пульсации давления в компрессионной камере упрощает схемную реализацию тонометра; предложенная реализация способа с использованием линейно возрастающей развертывающей функции снижает время измерения и в меньшей степени нарушает гемодинамику артерии.

4. Алгоритм численного скользящего определения параметров линейной регрессии амплитуд пульсаций давления в компрессионной камере в процессе декомпрессии (компрессии) для фиксации моментов равенства внешнего компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям артериального давления существенно повышает точность измерения АД.

5. Артериальное давление может быть измерено с приемлемой для практики точностью с использованием метода прямого преоб-

разования. Предложенный алгоритм реализации метода уменьшает время измерения до одного цикла сердечного сокращения.

6. Повышение быстродействия при измерении температуры с использованием термочувствительных элементов в виде терморезисторов достигается использованием режима стабилизации температуры терморезистора. В результате тепловая инерционность терморезистора практически не влияет на динамические свойства средства измерения в целом.

7. Использование ЧИМ-сигнала в качестве регулирующего воздействия в системе стабилизации температуры терморезистора обеспечивает линейную зависимость частоты от измеряемой температуры.

Апробалия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной и ряде российских конференций и симпозиумов. Диссертация обсуждена на заседании кафедры «Информационно-вычислительные системы» Пензенского государственного университета и рекомендована к защите на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 11 статей, 2 тезиса докладов, 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов по работе и приложений. Основной текст изложен на 194 машинописных листах. Библиография - 43 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы.

В первой главе систематизированы методы измерения артериального давления и температуры живых организмов. Многообразие существующих средств измерения сводится к ограниченному множеству моделей канонических структур, известных в теории автоматического управления и преобразования информации. Что касается измерения АД, то значительная часть идей была предложена врачами. Поэтому общепринятые наименования способов выражены в медицинских терминах, что не имеет никакой связи с каноническим разделением средств измерения на классы и поэтому не отражает их метрологические свойства. Например, первый

способ измерения АД был назван инвазивным, а реализован он может быть как прямым, так и уравновешивающим преобразованием АД. Наиболее распространенный способ измерения АД по Короткову Н. С. называется аускультативным, а в терминах измерительной техники - это метод развертывающего уравновешивающего преобразования.

Следовательно, для сравнительной оценки метрологических характеристик существующих методов измерения АД представляется важной их систематизация в терминах классической теории автоматического управления и измерительной техники.

В работе показано, что, несмотря на огромное разнообразие способов измерения АД, с метрологической точки зрения все это многообразие вписывается в 4 основных подкласса: с опорным каналом или без него, с прямым или косвенным измерением, с развертывающим или следящим уравновешиванием (общая характеристика этих методов хорошо известна в измерительной технике). В большинстве современных тонометров как цифровых, так и аналоговых реализуется метод развертывающего уравновешивающего преобразования. Суть метода состоит в том, что на артерию через толщу мягких тканей конечности воздействует внешнее компенсирующее давление, создаваемое с помощью окклюзион-ной манжеты. Тем или иным образом фиксируются моменты равенства компенсирующего давления верхнему и нижнему значениям АД.

Известны три основных метода фиксации моментов компенсации: пальпаторный, аускультативный (по Короткову) и осцилло-метрический. В автоматизированных приборах почти исключительно применяется осциллометрический метод, который имеет ряд разновидностей. Наиболее распространенным из них является анализ амплитуд осцилляций манжетного давления.

В части, касающейся измерения температуры, предлагаемая классификация методов отличается тем, что на верхнем уровне иерархии разделение методов произведено по признаку наличия в структуре средства измерения опорного канала, являющемуся наиболее важным с точки зрения потенциально достижимой точности. Подчеркнуто, что в диапазоне температур, характерном для биологических объектов, нет средств измерения с уравновешивающим преобразованием, что объясняется отсутствием методов прямого сравнения температур при кондуктивном теплообмене

между термочувствительным элементом и объектом измерения. При использовании же методов прямого преобразования вносимое средством измерения искажение температурного поля объекта измерения приводит к резко замедленному установлению температуры термочувствительного элемента. В главе также приведен сравнительный анализ метрологических, технических и стоимостных 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 АД и внешнего компенсирующего давления. С использованием модели сравниваются варианты конструктивного исполнения тонометров - традиционного и предлагаемого. Обосновывается принципиальная возможность измерения АД 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 АД. Обосновывается возможность измерения АД без прерывания кровотока в артерии.

Большинство существующих тонометров в терминах теории измерительных преобразований реализуют развертывающее уравновешивающее преобразование АД. Отличие способов состоит в особенностях фиксации момента равенства компенсирующего давления верхнему или нижнему значениям АД. Независимо от конкретного способа для фиксации момента равенства измеряемого и компенсирующего давлений используют косвенные признаки, основанные на тех или иных особенностях поведения артерии в процессе ее пережатия давлением, развиваемым окклюзионной манжетой, и последующей декомпрессии. Обзор многочисленных источников показывает, что усилия ученых были направлены главным образом на изучение экспериментально полученных осциллограмм пульсовой волны. Имеющиеся сведения о характере кривой объемного расширения весьма скудны.

В связи с этим представлялось важным математически описать поведение артерии в процессе декомпрессии. В основу упрощенной (без учета потерь давления в мягких тканях) математической модели было положено предположение о сугубо нелинейном ха-

рактере кривой объемного расширения артерии на границе положительных и отрицательных значений избыточного давления. Модель была реализована программно. Полученные в результате модельных экспериментов осциллограммы объемных колебаний артерии обнаружили сходство не только общего характера, но и некоторых мелких деталей с реальными сигналами.

Модель позволяет варьировать три параметра кривой объемного расширения: начальное значение (при нулевом избыточном давлении), максимальное значение и крутизну спада кривой в области отрицательных значений избыточного давления. В области положительных значений избыточного давления зависимость носит линейный характер. В области отрицательных значений избыточного давления упругая характеристика аппроксимировалась экспоненциально убывающей функцией

где 4 - значение объема артерии в точке АР =0 в процентах от максимального значения Ут\ I — номер точки аппроксимации (соответствует текущему значению избыточного давления); т —коэффициент, определяющий крутизну спада экспоненты.

Модель позволила установить, что наблюдаемое на осциллограммах пульсовых колебаний резкое изменение амплитуды происходит в моменты, когда по мере изменения компенсирующего давления избыточное давление сначала первый, а затем последний раз пересекает точку резкого перелома кривой объемного расширения артерии. Эти процессы поясняются графиками на рис. 1 и 2 соответственно. Таким образом, были выявлены объективные признаки моментов достижения компенсирующим давлением значений нижнего и верхнего АД.

Рис.1

Рис.2

Полученные результаты моделирования были проверены экспериментально. В качестве критериев отсчета нижнего и верхнего значений АД были использованы соответственно максимум и минимум первой производной от огибающей сигнала пульсовых колебаний.

Сравнение реальной осциллограммы пульсовых колебаний с аналогичной осциллограммой, полученной с помощью модели, показало наличие несомненного их сходства. Это позволяет считать гипотезу о характере кривой объемного расширения артерии достаточно обоснованной.

Одной из причин низкой точности автоматических тонометров является малый уровень сигнала пульсовых колебаний, который является единственным источником выделения моментов компенсации. Поэтому с целью поиска путей увеличения отношения сигнал/шум и усовершенствованных алгоритмов косвенного сравнения давлений была разработана математическая модель взаимодействия компрессионной камеры, мягких тканей конечности и артерии.

Изменение во времени артериального давления вызывает изменение объема артерии, которое передается компрессионной камере через толщу мягких тканей конечности. Поэтому в качестве исходного уравнения для построения модели нами был обоснован выбор выражения для объема Кк{Рк(0, Pa(t)} компрессионной камеры как функции давления PK(t) внутри ее и артериального давления Ра(Г)

УЛРЖ РМ = Vko + *W> - VmiPM) - K{Pa(t) - PK«h (2) где Vk0 — начальное значение объема компрессионной камеры, которое, очевидно, равно 7к0 = Км - V^ (Км = const - объем пространства под манжетой); КМ7о - исходное (при PK{t) = 0) значение объема мягких тканей конечности; ^{/»¡(i)} - текущее значение объема мягких тканей конечности; — PK(t)} - текущее значение объема артерии как функция избыточного давления.

Модель рассматриваемой системы была реализована программно. Программа позволяет изменять следующие параметры модели: У Кашах = (*а0 + wA^maxV^mO - относительное значение максимального объема артерии; брао = Кашах ^мто) - относительное значение начального объема артерии; - 1/ЛЛпах ~ крутизна спада кривой зависимости VJ.AP) в области отрицательных значений избыточного давления; £ диитшах = Д^мтшах/^шо — относительное значение максимального изменения объема мягких тканей, соответствующее максимальному значению внешнего давления; Лил = Кл/КпС - относительное значение начального объема компрессионной камеры; м = Лстах/Лв — относительное значение максимального внешнего давления.

Окончательное выражение для расчета изменения давления внутри компрессионной камеры имеет вид

ЧкО + Ил rmx(l - e~PJK»И.0ТИ. + ЬтУП max^/A^max

приД/>>0;

_ ^к(пИсО +<*lfcmJ - _

ЧЮЮ + ^ДИлтах!1" е-№'"~Р">}+ 6№07(4 max + YCanuxO " Sm^l^m

(3)

приД/><0

Переход от исходного уравнения (2) к формуле (3) осуществлен с использованием известного уравнения состояния идеального газа РУ = 4кТК Заметим, что формула (3) содержит лишь относительные величины, что избавляет от необходимости задавать при анализе модели какие-либо абсолютные значения конструктивных параметров.

На рис. 3 приведен график составляющей пульсовых колебаний, полученный в результате модельного эксперимента. Об адекватности модели, в частности, свидетельствует следующий характерный факт. В 1904 г. Д. Эрлангер обнаружил на кривой объемной пульсации небольшой отрицательный зубец, который был за-

метен на сфигмограмме в пределах интервала, где компенсирующее давление близко, но выше нижнего значения АД. Зубец исчезал при наступлении их равенства. Этот зубец мы наблюдаем и на осциллограмме, полученной в результате модельного эксперимента, и исчезает он при тех же условиях.

г < I I ю1!1(1»11лая»з»5г«*а«««««»Ея»яю

Рис. 3

Модель показывает пути повышения отношения сигнал/шум. Например, из выражения (3) следует, что амплитуда пульсовой составляющей давления внутри компрессионной камеры может быть увеличена уменьшением ее начального объема. Но это не единственный путь решения данной проблемы.

С использованием модели было исследовано влияние сжимаемости мягких тканей на величину воспринимаемых камерой пульсовых колебаний объема артерии. Исследование проводилось для двух конструктивных вариантов восприятия пульсовых колебаний с воздушной и жидкостной камерами. Показано и в дальнейшем экспериментально подтверждено, что применение жидкостной камеры почти на порядок повышает уровень сигнала пульсовых колебаний.

Но применение жидкостной камеры для восприятия пульсовых колебаний решает и другую проблему, возникающую при реализации так называемого тонометрического метода измерения АД для построения систем мониторингового контроля АД. Суть метода заключается в том, что АД непосредственно воспринимается датчиком давления в месте выхода артерии близко к поверхности кожи. При этом возникают две проблемы. Первая связана с необходимостью точного позиционирования датчика относительно артерии. Вторая проблема связана с необходимостью калибровки прибора для каждого пациента, поскольку потери давления в мягких тканях на порядки снижает воспринимаемое давление.

Применение жидкостной камеры для восприятия АД полностью снимает проблему позиционирования датчика относительно артерии. Кроме того, нами предложен алгоритм измерения АД, при использовании которого отпадает и необходимость автомати-

ческого регулирования силы прижатия датчика к конечности. Данное техническое решение открывает перспективу более простой реализации системы мониторирования АД.

В третьей главе проведены разработка и исследование моделей теплообмена термочувствительного элемента с объектом измерения и окружающей средой и на этой основе поиск путей повышения быстродействия измерения температуры живых организмов. В результате предлагается использовать термосопротивление в режиме стабилизации температуры и обосновывается возможность извлечения информации об измеряемой температуре по интенсивности сигнала, стабилизирующего температуру термосопротивления. С помощью 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.

Для улучшения динамики процесса измерения температуры тела человека с использованием терморезисторов предлагается следующая идея, проверенная с помощью модели и экспериментально. При построении модели использована аналогия электрических и тепловых процессов, при этом свойствам теплопроводности и теплоемкости реального объекта соответствуют проводимость и емкость элементов электрической цепи; окружающая среда и объект измерения (тело человека) представлены в электрической цепи источниками э. д. с, поскольку их теплоемкость на много порядков превосходит теплоемкость термочувствительного элемента. Объект измерения, являющийся генератором тепла с температурой Тх, представлен источником, развивающим э.д.с. того же значения. Величина теплопроводности вх между объектом измерения и терморезистором представлена электрической проводимостью того же значения. Значение С* в случае измерения, например, температуры тела человека в основном определяется свойствами поверхностного слоя кожного покрова. Терморезистор представлен на схеме емкостью, заряженной до напряжения, численно равного его температуре Гтс. Для учета теплообмена терморезистора с окружающей средой в схему введен источник э.д.с, численно равной температуре Т^ окружающей среды. Теплообмен терморезистора с окружающей средой происходит через теплопроводность Суг, представленную в схеме проводимостью резистора. Схема управления поддерживает стабильным напряжение (темпе-

ратуру) Ттс, соответствующим образом регулируя ток (тепловой поток) управляемого источника тока УИТ. Использование модели возможно в двух режимах - неравновесном и равновесном.

В неравновесном режиме температура стабилизации выбирается из условия Т10 > Тиаш, где Тшах — максимальное значение измеряемой температуры. Тогда, очевидно, тепловой поток от терморезистора к объекту измерения определится выражением

Тепловой поток от терморезистора к окружающей среде определяется аналогично

Уравнение баланса тепловых потоков можно записать следующим образом:

где / тепловой поток от УИТ к терморезистору.

Из выражений (4)—(6) находим

^уит-тс ~ (Тк ~ Тх) Gx + (Тк ~ Тсс) Gym. (7)

На практике несложно выполнить условие Gx» Gym, тогда выражение (7) принимает вид

■^уит-тс = (Trc ~ Тх) Gx. (8)

Таким образом, тепловой поток /,ит тс является линейной функцией измеряемой температуры Тх. Вместе с тем в формулу (8) входит величина Gx, которая хотя и является константой для определенных условий измерения, но практически ее значение не известно. В этом состоит недостаток неравновесного режима использования рассматриваемой схемы. Это не исключает возможности практического применения данного метода в случаях, когда допускается предварительная градуировка прибора. Если такая возможность имеется, то предлагаемый метод не имеет аналогов по динамическим характеристикам. Неравновесный режим особенно удобен для создания системы мониторинга температуры живых организмов, так как при выборе значения температуры стабилизации терморезистора, близкого к значению контролируемой температуры, создаются наилучшие условия с точки зрения обеспечения минимума искажения температурного поля объекта измерения.

Равновесный режим предусматривает изменение значения Ттс температуры стабилизации терморезистора до наступления равенства ее измеряемой температуре Тх. Признаком такого равенства является нулевое значение теплового потока /уиТ-тс на выходе УИТ. Равенство потока /[П к нулю означает равенство нулю значения потока 1п.х . Согласно выражению (4) выполняется равенство

откуда следует, что температура Гтс терморезистора равна измеряемой температуре Тх и не зависит от неизвестной в общем случае теплопроводности £7^. Отсчет значения измеряемой температуры может быть произведен на основании известной и достаточно стабильной для многих типов терморезисторов зависимости сопротивления от температуры.

Таким образом, в случае равновесного режима может быть достигнута потенциально самая высокая точность измерения, свойственная методу уравновешивающего преобразования. Самое основное преимущество метода применительно к задаче измерения температуры состоит в том, что практически полностью исключается искажение температурного поля объекта измерения. Следует отметить, что до последнего времени не были известны реализации данного метода для измерения температуры при кондуктивном способе передачи тепла от объекта измерения к чувствительному элементу. Для того чтобы была понятна суть обсуждаемой проблемы, рассмотрим простейшую схемную реализацию системы стабилизации температуры терморезистора, представленную на рис. 4.

Ее описание приведено в работе, опубликованной автором совместно с Э. К. Шаховым и В. Ю. Крысиным [7]. На схеме использованы обозначения: ОУ -операционный усилитель; -терморезистор; Лл, /?02> ^03 -постоянные сопротивления. За счет отрицательной обратной связи мост находится в равновесии (с точностью до погрешно-

Рис. 4

сти, определяемой дрейфом ОУ). В установившемся режиме без учета дрейфа нуля выходное напряжение ОУ таково, что выполняется равенство

где Л^«) - функция, выражающая зависимость сопротивления терморезистора от выходного напряжения ОУ.

Уравнение теплового баланса имеет вид

/у%-Х(Гу- Тх) = 0, (11)

где ¡у - ток через терморезистор; Ту и Тх - значения температуры терморезистора и объекта измерения соответственно; X - коэффициент теплопроводности.

Решая (10) и (11) совместно, имеем:

и/ (Ло1^з/^2)/(Ло1+ ЬМЫ1 - ЧТу - тх) = 0. (12)

В случае равновесного режима, изменяя сопротивление одного из резисторов моста и тем самым значение Ту, можно добиться равенства Ту= Тх. Признаком достижения состояния равновесия является нулевое значение напряжения на питающей диагонали моста.

В простейшей схеме, где для питания моста используется сигнал интенсивности, функциональная зависимость (12) информативного параметра носит сугубо нелинейный квадратичный характер, что создает неудобства использования ее в неравновесном режиме. Для устранения этого недостатка в работе предложена схема, в которой мост питается импульсами стабильной вольт-секундной площади, что обеспечивает линейную зависимость частоты питающего сигнала от измеряемой температуры.

Для детального исследования процессов в системе была построена имитационная модель с использованием пакета 8ши1шк базовой системы МЛТЬЛБ. Отметим, что параметрическая по сути реальная система имитируется с использованием элементов модели с постоянными параметрами. Результаты модельного эксперимента подтвердили отсутствие нелинейности функции преобразования.

Достоинством преобразователя является его высокое быстродействие, которое практически не зависит от инерционности собственно терморезистора и упомянутых выше особенностей биологических тел как объекта измерения. Быстродействие определяется

динамическими свойствами замкнутой системы стабилизации температуры терморезистора, которые задаются длительностью и мощностью импульса нагрева.

Для получения высокой точности в рассматриваемых схемах предъявляются жесткие требования к дрейфу нуля операционного усилителя. Этот недостаток устранен в схеме, где применяется смена полярности импульсов питания моста в каждом цикле преобразования. Подобный прием, как известно, уменьшает погрешность от дрейфа на порядок, равный порядку числа, обратного по отношению к погрешности. Например, если корректируемая погрешность равна 1%, то она уменьшается до 0,01%.

В четвертой главе дается описание практически выполненных разработок вариантов тонометра для измерения АД на фаланге пальца и на запястье, быстродействующего индикатора температуры, а также приводятся результаты их экспериментального исследования.

Обзор методов измерения артериального давления показывает, что подавляющее большинство промышленно выпускаемых тонометров независимо от их назначения (для измерения АД на пальце, на запястье или на предплечье) используют для создания внешнего компенсирующего давления пневматическую манжету. Применение манжеты помимо несомненных достоинств имеет и ряд недостатков: 1) манжета сильно ослабляет сигнал пульсовых колебаний, по которому фиксируются моменты уравновешивания, в тех случаях, когда сигнал пульсовой волны снимается с датчика, измеряющего давление внутри манжеты; 2) в случае автоматической накачки манжеты в конструкции тонометра должен быть предусмотрен компрессор, для приведения которого в действие необходим автономный источник питания в виде аккумуляторной батареи; при этом потребляемая мощность достаточно велика и требует частой замены источника, что удорожает эксплуатацию тонометра; 3) из-за индивидуальных и возрастных различий пациентов при приобретении тонометра приходится ориентироваться на определенный размер конечности.

В свете изложенного представлялась актуальной задача создания безманжетного тонометра. Для проверки принципиальной возможности функционирования такого тонометра нами был проверен ряд конструкций.

Для реализации процесса компрессии артерии используется предварительно вакуумированный пластмассовый сильфон. Замена декомпрессии компрессией уменьшает искажающее влияние процесса измерения на гемодинамику артерии, кроме того, пациент испытывает менее заметные ощущения дискомфорта. Экспериментальные исследования подтвердили достаточно высокие метрологические характеристики тонометра. Сравнительные испытания показали, что по погрешности он лишь незначительно (на 2-3 мм рт. ст.) уступает серийным автоматическим приборам фирмы «ОМРОН».

Разработанный вариант безманжетного тонометра для измерения АД на запястье использовался для проверки принципиальной возможности способа восприятия пульсовых колебаний с помощью жидкостной камеры. Кроме того, на данном • макете было выполнено исследование вариантов критериев, по которым осуществляется фиксация моментов компенсации. Как показали эксперименты, критерий в виде угла наклона скользящей регрессионной прямой, рассчитываемой по значениям амплитуд пульсовых колебаний, в два раза повышает стабильность результатов измерения верхнего значения АД по сравнению с первой производной огибающей пульсовой волны.

Выше отмечалось, что при использовании преобразователя температуры в частоту в неравновесном режиме в функцию преобразования входит коэффициент теплопередачи среды между термочувствительным элементом и объектом измерения. В случае измерения температуры тела человека этот коэффициент может быть различным как у разных людей, так и в изменяющихся условиях измерения у одного и того же человека. Для устранения этого недостатка был предложен алгоритм измерения, реализующий принцип двухканальности академика Б. Н. Петрова. В данном случае каналы разделены во времени, т. е. преобразование повторяют дважды при отличающихся значениях температуры стабилизации терморезистора и Тт. Решение получающейся системы уравнений

= 144 До1 Я( Тм - Тх)/(5 2ЬЦ>2) - 1/(5/0); = 144 До, 1(ТМ - ТЖ5 <ЬЦ>2) - 1/(5'о) оказывается инвариантным относительно коэффициента теплопередачи X. Было также вьщвинуто предположение о том, что одновременно должна уменьшиться погрешность от дрейфа нуля опе-

рационного усилителя. Гипотеза была проверена на имитационной модели и получила полное подтверждение. Таким образом, на основе данной идеи можно создать цифровой микропроцессорный термометр с временем измерения порядка одной секунды, что недостижимо даже для ИК-термометров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основным результатом диссертационной работы является создание моделей взаимодействия объекта и средства измерения температуры и артериального давления для улучшения технических, метрологических и стоимостных характеристик наиболее используемых медицинских измерительных приборов - тонометров и термометров.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие научные и практические результаты:

1. Впервые разработана математическая модель системы «компрессионная камера — мягкие ткани конечности — артерия» Модель позволяет получить функцию изменения давления в компрессионной камере в процессе декомпрессии. Сопоставление результатов моделирования с результатами экспериментального исследования, полученными автором, а также с результатами, которые приводятся в многочисленных публикациях других исследователей, показывает, что характер пульсовых колебаний в компрессионной камере модели практически полностью соответствует реально наблюдаемому процессу. Модель позволяет уточнить признаки наступления момента уравновешивания артериального давления внешним компенсирующим давлением.

2. В результате исследования модели предложен способ увеличения отношения сигнал/шум на выходе датчика давления, воспринимающего пульсовые колебания через жидкостную камеру. Повышение отношения сигнал/шум позволяет снизить погрешность измерения АД тонометрическим методом. Кроме того, полностью снимается проблема точного позиционирования датчика давления относительно артерии.

Предложен алгоритм вычисления значений АД косвенно через значения давления пульсовых колебаний. Преимущество алгоритма перед известным состоит в том, что отпадает необходимость автоматического регулирования силы прижатия датчика к артерии. В результате открывается перспектива существенного усовершен-

ствования тонометрического метода измерения АД, наиболее подходящего для использования в системах мониторинга АД. При этом появляется возможность реализовать четыре основных преимущества предлагаемого решения:

- кровоток в артерии не перекрывается, как это имеет место при традиционном измерении;

- время измерения сокращается до значения, не превышающего длительности 1,5 циклов сердечного сокращения;

- отпадает необходимость использования компрессора, что резко уменьшает потребление прибора;

- пациент практически не испытывает никаких ощущений дискомфорта в процессе измерения.

3. Предложена конструкция безманжетного тонометра для измерения АД на фаланге пальца. Конструкция имеет три преимущества: уменьшение потребления энергии от автономного источника питания; возможность измерения АД в процессе компрессирования артерии; снимается проблема индивидуального подбора размера манжеты. В традиционных тонометрах применяется исключительно декомпрессирование, при котором неизбежно сильное пережатие артерии и конечности. В случае компрессирования внешнее компенсирующее давление может не превышать систолического значения АД.

4. Предложен алгоритм фиксации верхнего и нижнего значений АД, обеспечивающий достаточно высокую стабильность показаний тонометра при повторных измерениях АД одного и того же испытуемого (±3 и ±7 мм рт. ст. при измерении нижнего и верхнего значений АД соответственно).

5. Предложена конструкция безманжетного тонометра для измерения АД по запястью. Преимущество конструкции состоит в том, что для увеличения уровня сигнала пульсовых колебаний пульсовые колебания артерии воспринимаются датчиком через жидкостную камеру.

6. Разработана и исследована модель теплообмена с объектом измерения и окружающей средой терморезистора, используемого в режиме стабилизации его температуры. Показана возможность измерения температуры, при котором инерционность терморезистора практически не сказывается на динамических свойствах реализующего устройства.

7. Предложена простая схема стабилизации температуры терморезистора, в которой регулирующее воздействие на терморезистор осуществлено с помощью ЧИМ-сигнала, что обеспечивает линейную зависимость частоты от температуры объекта измерения. Такая форма представления информации о разности температур терморезистора и объекта измерения создает удобство ее обработки, в частности преобразования в цифровую форму. С помощью имитационной модели подтверждено отсутствие погрешности нелинейности, а также предложен и обоснован алгоритм устранения влияния дрейфа нуля. Существенно также отметить, что модельные эксперименты показали возможность использования стандартных средств имитационного моделирования для построения моделей систем с переменными параметрами.

8. Предложен алгоритм измерения температуры, обеспечивающий уменьшение времени до величины порядка одной секунды благодаря использованию режима стабилизации температуры чувствительного элемента. Возможность достижения высоких метрологических характеристик и быстродействия проверена с использованием имитационного моделирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Писарев А. П. Использование графического процессора преобразования движения в телевизионных системах отображения информации реального времени / О. Н. Бодан, А. П. Писарев, А. П. Ремонтов, Ю. Р. Тихонов // Тез. докл. регион, конф. «Обработка информации в автоматизированных системах научных исследований», 1989.

2. Pisarev A. P. Design ofreal-time grafics system/ E. K. Shahov, O. N. Bo-din, A. P. Pisarev, A. P. Remontov // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «Interactive systems: the problems of human-computer interaction». - Ульяновск, 1995.

3. Писарев А. П. Об использовании графического процессора аффинного преобразования для решения задачи динамики трехмерного объекта на экране ЭЛТ // О. Н. Бодин, А П. Писарев, А П. Ремонтов, Ю. Р. Тихонов // Автоматизация процессов обработки первичной информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 1991. — Вып. 16. — С. 68-72.

4. Писарев А П. Выбор критериев оценки систем отображения информации реального времени / А. П. Писарев, А. П. Ремонтов // Автоматизация процессов обработки первичной информации: Межвуз. сб. науч. тр.- Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 1991. - Вып. 16. - С. 78-85.

5. Писарев А. П. Исследование возможности использования ПЭВМ для решения задач синтеза сложных динамических изображений/ А. П. Писарев, А. П. Ремонтов // Автоматизация процессов обработки первичной информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 1998. - Вып. 19. - С. 68-73.

6. Писарев А. П. Схемотехника цифровых информационно-вычислительных устройств: Учеб. пособие / О. Н. Бодан, А. П. Писарев, А. П. Ремонтов, Н. А. Сипягин, В. А Елисеев. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002.

7. Писарев А. П. Модель термометра сопротивления в режиме заданной температуры терморезистора / Э. К. Шахов, В. Ю. Крысин, А. П. Писарев // Вычислительные системы и технологии обработки информации. Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 2(28). -С. 38-45.

8. Писарев А. П. Модель преобразователя сопротивления терморезистора в ЧИМ-сигнал // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр.- Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. -Вып. 23. - С. 40-50.

9. Писарев А. П. Модель преобразователя температуры в ЧИМ-сиг-нал // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр.-Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 28. - С. 127-137.

10. Писарев А. П. Простейшая модель тонометра / Э. К. Шахов, А. И. Сухов, А. П. Писарев // Вычислительные системы и технологии обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 2(28). - С. 30-37.

П.Писарев А. П. Моделирование процесса измерения артериального давления / Э. К. Шахов, А. И. Сухов, А П. Писарев // Вычислительные системы и технологии обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. -Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 2(28). - С. 18-29.

12. Писарев А. П. Повышение быстродействия средств измерения температуры / Э. К. Шахов, А. П. Писарев // Тр. Междунар. юбил. симпозиума. В 2-х т. Т. 2 - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - С. 269-271.

13. Писарев А. П. Алгоритмы косвенного измерения артериального давления / Э. К. Шахов, А. И. Сухов, А. П. Писарев // Вычислительные системы и технологии обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. -Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - Вып. 4 (29). - С. 28-35.

14. А. с. №1495843 (СССР). Устройство для формирования динамических изображений / О. Н. Бодин, А. П. Писарев, А. П. Ремонтов, Ю. Р. Тихонов. 14 декабря 1987 г.

Писарев Аркадий Петрович

Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Редактор О. Ю. Ещина

Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Н. В Степочкина Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

ИД № 06494 от 26.12.01

Сдано в производство 10.11.04. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 712. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40 Отпечатано в типографии ПГУ

»24611

Введение

Глава 1. Аналитический обзор методов измерения артериального давления и температуры

1.1 Классификация методов измерения артериального давления

1.2 Методы развертывающего уравновешивающего преобразования АД

1.3 Методы следящего уравновешивающего преобразования АД

1.4 Методы измерения АД без использования опорного канала

1.5 Сравнительный анализ методов измерения АД

1.6 Методы измерения температуры биологических объектов

1.7 Выводы

Глава 2. Совершенствование методов измерения артериального давления

2.1 Простейшая модель тонометра

2.2 Моделирование процесса изменения давления в компрессионной камере тонометра

2.3 Метод повышения уровня выходного сигнала датчика давления

2.4 Усовершенствование тонометрического метода измерения АД

2.5 Выводы

Глава 3. Совершенствование методов измерения температуры биологических тел

3.1 Модель термометра сопротивления в режиме стабилизации температуры и возможности его использования для измерения температуры

3.2 Преобразователь температуры в ЧИМ-сигнал с использованием терморезистора в режиме стабилизации температуры

3.3 Исследование возможности устранения влияния дрейфа нуля

3.4 Выводы

Глава 4. Разработка и исследование приборов для измерения артериального давления и температуры

4.1 Безманжетный пальцевой тонометр

4.2 Безманжетный пальцевой тонометр с оптоэлектронным датчиком пульсовых колебаний

4.3 Безманжетный тонометр для измерения АД по запястью

Модель быстродействующего термометра

4.4 Выводы

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), Мкго^е (Швейцария), №Б8еу (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 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.

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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Разработка недорогого цифрового тонометра массового применения.

6. Систематизация методов измерения температуры живых организмов с целью выявления возможностей преодоления недостатков традиционных методов, прежде всего - в направлении повышения быстродействия.

7. Разработка и исследование новых способов и средств измерения температуры.

Содержание диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и список цитированной литературы.

4.5 Выводы

1. Впервые предложен тонометр без использования в нем пневматической манжеты. Экспериментально показана возможность достижения точностных характеристик не хуже, чем у манжетных аналогов. Выявлено, что в случае измерения давления на фаланге пальца предпочтительным является вариант конструкции с оптоэлектронным датчиком пульсовых колебаний.

2. Предложена конструкция тонометра для измерения АД на фаланге пальца, в которой для создания линейно изменяющегося внешнего компенсирующего давления используется пружина в сочетании с сильфоном. Это позволяет отказаться от традиционно применяемых для этих же целей компрессора и окклюзионной манжеты. Конструкция имеет три преимущества: уменьшение потребления энергии от автономного источника питания; возможность измерения АД в процессе компрессирования артерии; снимается проблема индивидуального подбора размера манжеты. В традиционных тонометрах применяется исключительно декомпрессирование, при котором неизбежно сильное пережатие артерии и конечности, приносящее пациенту ощущение дискомфорта во время измерения. В случае компрессирования внешнее компенсирующее давление может не превышать систолического значения АД.

3. Предложен алгоритм фиксации верхнего и нижнего АД, обеспечивающий достаточно высокую стабильность показаний тонометра при повторных измерениях АД одного и того же испытуемого. Показано, что применение одного и того же критерия для определения моментов компенсации верхнего и нижнего АД понижает точность измерения одного из них. Поэтому наилучшие показатели точности были достигнуты при применении критериев, подобранных отдельно подобранных для фиксации верхнего и нижнего АД.

4. Предложена конструкция безманжетного тонометра для измерения АД по запястью. Преимущество конструкции состоит в том, что для увеличения уровня сигнала пульсовых колебаний (и, как следствие, повышения точности измерения АД) пульсовые колебания артерии воспринимаются датчиком через полость, заполненную жидкостью. Кроме того, конструкция тонометра открывает перспективу простейшей реализации тонометрического метода измерения АД, так как предлагаемый способ восприятия пульсовых колебаний полностью снимает проблему точного позиционирования датчика пульсовых колебаний относительно положения артерии.

5. Предложен способ построения медицинского термометра, не имеющего аналогов по быстродействию. Термометр позволяет измерить температуру за время порядка одной секунды благодаря использованию режима стабилизации температуры чувствительного элемента. Одновременно обеспечивается снижение требований к стабильности параметров реализующей схемы. Возможность достижения высоких метрологические характеристик и быстродействия проверена с использованием имитационного моделирования.

194

Заключение

Основным результатом диссертационной работы является создание моделей взаимодействия объекта и средства измерения температуры и артериального давления для улучшения технических, метрологических и стоимостных характеристик наиболее массово используемых медицинских измерительных приборов - тонометров и термометров.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие научные и практические результаты:

1. Впервые разработана математическая модель системы «компрессионная камера - мягкие ткани конечности - артерия». Модель позволяет получить функцию изменения давления к компрессионной камере в процессе декомпрессии конечности. Сопоставление результатов моделирования с результатами экспериментального исследования, полученными автором, а также с результатами, которые приводятся в многочисленных публикациях других исследователей, показывает, что характер пульсовых колебаний в компрессионной камере модели практически полностью соответствует реально наблюдаемому процессу. Модель позволяет уточнить признаки наступления момента уравновешивания артериального давления внешним компенсирующим давлением.

2. В результате исследования модели предложен способ увеличения отношения сигнал/шум на выходе датчика давления, воспринимающего пульсовые колебания через жидкостную камеру. Повышение отношения сигнал/шум позволяет снизить погрешность измерения АД тонометрическим методом. Кроме того, полностью снимается проблема точного позиционирования датчика давления относительно артерии.

Предложен алгоритм вычисления значений АД косвенно через значения давления пульсовых колебаний. Преимущество алгоритма перед известным состоит в том, что отпадает необходимость автоматического регулирования силы прижатия датчика к артерии. В результате открывается перспектива существенного усовершенствования тонометрического метода измерения АД, наиболее подходящего для использования в системах мониторинга АД. При этом появляется возможность реализовать четыре основных преимущества предлагаемого решения:

- кровоток в артерии не перекрывается, как это имеет место при традиционном измерении;

- время измерения сокращается до значения, не превышающего длительности 1,5 циклов сердечного сокращения;

- отпадает необходимость использования компрессора, что резко уменьшает потребление прибора;

- пациент практически не испытывает никаких ощущений дискомфорта в процессе измерения.

3. Предложена конструкция безманжетного тонометра для измерения АД на фаланге пальца. Конструкция имеет три преимущества: уменьшение потребления энергии от автономного источника питания; возможность измерения АД в процессе компрессирования артерии; снимается проблема индивидуального подбора размера манжеты. В традиционных тонометрах применяется исключительно декомпрессирование, при котором неизбежно сильное пережатие артерии и конечности. В случае компрессирования внешнее компенсирующее давление может не превышать систолического значения АД.

4. Предложен алгоритм фиксации верхнего и нижнего АД, обеспечивающий достаточно высокую стабильность показаний тонометра при повторных измерениях АД одного и того же испытуемого (±.3 и ±.7 мм рт. ст. при измерении нижнего и верхнего значений АД соответственно).

5. Предложена конструкция безманжетного тонометра для измерения АД по запястью. Преимущество конструкции состоит в том, что для увеличения уровня сигнала пульсовых колебаний пульсовые колебания артерии воспринимаются датчиком через жидкостную камеру.

6. Разработана и исследована модель теплообмена с объектом измерения и окружающей средой терморезистора, используемого в режиме стабилизации его температуры. Показана возможность измерения температуры, при котором инерционность терморезистора практически не сказывается на динамических свойствах реализующего устройства. Одновременно обеспечивается незначительное искажение температурного поля объекта измерения, что важно, так как низкое быстродействие медицинских термометров с кондуктивным способом теплообмена объясняется именно этим обстоятельством.

7. Предложена простая схема стабилизации температуры терморезистора, в которой регулирующее воздействие на терморезистор осуществлено с помощью ЧИМ-сигнала, что обеспечивает линейную зависимость частоты от температуры объекта измерения. Такая форма представления информации о разности температур терморезистора и объекта измерения создает удобство ее обработки, в частности, преобразования в цифровую форму. С помощью имитационной модели подтверждено отсутствие погрешности нелинейности, а также предложен и обоснован алгоритм устранения влияния дрейфа нуля. Существенно также отметить, что модельные эксперименты показали возможность использования стандартных средств имитационного моделирования для построения моделей систем с переменными параметрами.

8. Предложен алгоритм измерения температуры, обеспечивающий уменьшение времени до величины порядка одной секунды благодаря использованию режима стабилизации температуры чувствительного элемента. Одновременно обеспечивается снижение требований к стабильности параметров реализующей схемы. Возможность достижения высоких метрологические характеристик и быстродействия проверена с использованием имитационного моделирования.

197

1. Шахов Э.К. Разделение функций - основной принцип структурного совершенствования измерительных преобразователей. - В кн. Информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 8. Пенза, ППИ. 1978.

2. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1973, 552 с.

3. А.Н Рогоза. Методы неинвазивного измерения артериального давления. http://www.medlinks.ru

4. В. М. Большов, А. М. Романовская, Н. А. Котова Автоматический измеритель артериального давления косвенным методом // Мед. техника. -1979. №2.-С. 19-22.

5. П. Хамбли. Измерение артериального давления // http://www.ua.arh.ru

6. Г.В.Гусаров, В.С.Морошкин, В. М. Тихоненко. Точность измерения артериального давления в отечественном суточном мониторе "кардиотехника-4000-ад" и возможность его применения у больных с нарушениями ритма, http://www.vestar.ru

7. Б. Б. Ордабаев, К. М. Искаков, А. Ж. Рысмендиев, А. А. Юлдашев. Неинвазивное безокклюзионное мониторирование давления крови // Здравоохранение Казахстана 1992.- №8.- С.29 - 30.

8. Sapinski A. Standard algorithm of blood-pressure measurement by the oscillometric method //Med. and Biol. Eng. and Comput. 1992. - V. 30 , № 6. - P. 671.

9. Савицкий H.H. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. М.: Медицина, 1974. - 311с.

10. Лазарешвили Л. Т. Помехоустойчивость осциллометрических автоматизированных сфигмоманометров // Мед. техника. 1993. - №3. - С. 19-28.

11. Ware R. \V., L а е g п с г Ch, J., 0 w е n s Т. E., Немецкий пат., No1302482, 1971, prior. USA.

12. С 1 e a г с С. А. Анг-лийск. пат. No 1227030, 1970.13. de D о b b e 1 e e r G. Пат. США No 3118440, 1964.

13. M а г x Т. J. Пат. США, No 3348534, 1963.

14. Penaz J. Photoelectric measurement of blood pressure, volume, and flow in the finger. //Digest of the 10th Int.Conf. on med. and Biol. Eng. -Dresden, 1973. -P. 104.

15. Шахов Э.К. Способ измерения артериального давления и устройство для его осуществления // Патент № 2048789, Бюлл. №33.- 1995.

16. Калакутский JI. И., Манелис Э. С. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учебное пособие . Самара: Самар. гос. аэрокосм, ун-т., 1999. -161 с.

17. Шахов Э.К., Сухов А.И. Способ измерения артериального давления // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки, 2003, №4. с. 84-95.

18. Микрокомпьютерные медицинские системы, проектирование и применение.- М., Медицина, 1983.

19. Eckarie Y. S. // Association for the Advancement of Medici Instrumentation (USA) Annual Meeting 15 th Proceedings.- San Francisco 1986. — P. 40.

20. Jozon M. M. M. Procese de mesure de la pression arterelle par voie exteme Brevet dinvention 2 523 432 // France industr Bull Off Propnete 1983. - N 38-P. 19.

21. Miva H. Pressure Measuring System with Ultrasonic Wave: US Pat. 4 483 345 //Off. Gaz. US Pat. Trademark Office 1984.- Vol. 1048, N 3.- P. 1059.

22. Cardiovascular Engineering / Ed. D. N. Ghista. Basel 1983. - P. 134-137

23. Carruthers E M Cardiovascular monitors United Kingdom Pat Application 2 058 355 A GB (Publ. by the Patent Office L. 1981. P. 4).

24. Эман А.А. Биофизические основы измерения артериального давления.- Л., Медицина, 1983.

25. Андриященко П. Л., Болыиов В. М., Клочков В. А., Яковлев В. Т. К выбору метода измерения артериального давления в мониторных комплексах // Мед. техника.-1995.- №4.- С.26 29.

26. Электрические измерения неэлектрических величин. /Под ред. П.В. Новицкого. Л.: Энергия, 1975, - 576 с.

27. Большая медицинская энциклопедия: в 30-ти т.АМН СССР. Глав. Ред. Б.В. Петровский 3-е изд. т. 25. М.: Советская энциклопедия, 1985, с 910,32-38.

28. Русанов К.В., Тюрина Е.Г. Медицинский ртутный термометр для измерения температуры тела. //Провизор 1997 - №3 - с7.

29. Русанов К.В., Тюрина Е.Г. Медицинский ртутный термометр для измерения температуры тела. // Медицинские вести. 1997 - №3 - с 37 - 38.

30. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). Под ред Е.Г.Шрамкова. Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1972, 520 с.

31. Шахов Э.К., Сухов А.И., Писарев А.П. Простейшая модель тонометра.- Вычислительные системы и технологии обработки информации: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 2(28). - Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 2003, с.30-37.

32. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л., «Энергия», 1966, 690 с.

33. Шахов Э.К., Крысин В.Ю. Проблема повышения быстродействия медицинских термометров. «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации», Сб. матер. Международ, н-т. конф. Пенза, Изд. ПГУ, 2000, -с 115-118.

34. Шахов Э.К., Щеголев В.Е. Система стабилизации температуры для термоанемометров. Измерительные преобразователи и информационые технологии. Межвузовский научный сборник, выпуск 1, Уфа, 1996, с.174-178.

35. Писарев А.П. Модель преобразователя сопротивления терморезистора в ЧИМ-сигнал Датчики систем измерения, контроля и управления. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 23- Пенза.: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003, - с. 40-50

36. Писарев А.П. Модель преобразователя температуры в ЧИМ-сигнал. -Информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 28 -Пенза.: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003, с. 127-137

37. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающиепреобразователи напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

38. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М., Энергия, 1976, 392 с.

39. Шахов Э.К., Писарев А.П. Повышение быстродействия средств измерения температуры. Труды Международного юбилейного симпозиума. В 2-х т. Т.2 Пенза: Информационно-издательский центр ill У, 2003, с.269-271.