Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Писарев, Аркадий Петрович

• Писарев, Аркадий Петрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Писарев, Аркадий Петрович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров»

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.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Писарев, Аркадий Петрович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Писарев, Аркадий Петрович, 2004 год

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.