CC BY
7сы. Общий вывод работы [4] заключается в том, что с уменьшением длины волны значение коэффициента обратного рассеяния возрастает. Здесь наименьшая рассматриваемая длина волны составляла 20м, а ст° = -8дБ. Сделано заключение, что вклад веток в общее отражение не велик и при объединении с листьями общее обратное отражение становится меньше. Подчеркивается, что этот эффект существенен на более коротких волнах вследствие большего поглощения в листве.
Список литературы
1. Шовенгердт, Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений./ Р.А. Шовенгердт.- М. Техносфера., 2010, с.560
2. Теоретические основы радиолокации /Под ред. Я.Д. Ширмана. М.:Сов. Радио, 1970,-560с.
3. Kasichke, E.S. Calibrated X- and L-band scattering coefficient from a southern US forest/ E.S. Kasichke, R.W. Larson // Proc. IGARSS'86, Zurich, 8-11 Sept., 1986, P.895-901
4. Козырев, В.В. Определение биомассы лесной растительности по радиолокационным измерениям со спутников/ В.В. Козырев, В.С. Косо-лапов // Исследование Земли из космоса. 2005. №3. с.73-85.
с.н.с., к.ф-м.н., доцент Доржиев Б.Ч., вед. инженер Очиров О.Н. - тел. (3012) 434819, e-mail: [email protected] - Институт физического материаловедения СО РАН. с.н.с., к.ф-м.н. Климов А.И., 8(3822)-491-410, [email protected] -Институт сильноточной электроники СО РАН.
УДК 616-71
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАКЕТА НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
Е.И. Шкляр, Д.В. Миляев
Приведены исследования экспериментального макета, измеряющего динамику изменения артериального давления при возрастающих нагрузках на сердечную мышцу. Устройство способно непрерывно определять мгновенные значения давления при нагрузках и при восстановлении давлении на переходе к спокойному состоянию. Требования, предъявляемые к прибору такого типа, в основном сводятся не к повышению точности измерения, а его компактности, возможности непрерывного измерения и демонстрации диаграммы кривой давления в течение дня, недели и более
Ключевые слова: артериальное давление, пьезоэлектрический преобразователь, медицина, изме-
рение
Введение
В мире медицине существует огромное количество различных приборов и средств измерения для выяснения болезней сердца и сердечнососудистых заболеваний. Одной из самых острых проблем, стоящей перед врачами, является выбор универсального точного устройства, которое верно, а самое главное быстро выявит болезнь пациента на ранних стадиях заболевания. Традиционно принятые при обследовании пациентов разовые измерения артериального давления (АД) не всегда отражают истинные его величины, не дают представления о суточной динамике, поэтому затрудняется диагностика артериальной ги-пертензии, подбор антигипертензивных препаратов, оценка их эффективности и адекватность лечения.
Методы измерения АД
В современном мире существует несколько методов измерения АД, все они де-
лятся на инвазивные и неинвазивные. Применение инвазивного метода практически не используется на практике, его применяют только в экстренных случаях для диагностики работы сердца. Неивазивные методы нашли широкое применение в медицине.
Аускультативный метод: Метод основан на полном пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, возникающих при медленном выпуске воздуха из манжеты.
Осциллометрический метод: Он основан на регистрации прибором пульсаций давления воздуха, возникающих в манжете при прохождении крови через сдавленный манжетой участок артерии.
Безманжетные методы В основе опытных разработок этого направления лежат исследования возможностей использования тех или иных функциональных
зависимостей, которые могли бы связывать величину АД с каким-либо физиологическим параметром, регистрируемым неинвазивно. В свою очередь безманжетные методы делятся на:
• фотоплетизмографический (оптический)
• импедансно-плетизмографический
• механический
Фотоплетизмографический (оптический) метод:
Метод основан на преобразовании давления (Р) в силу (Р) и измерении параметров пульсовой волны одновременно с измерением значений давления. Поскольку
р=а
S
Метод импедансной плетизмографии: При определении параметров артериального давления (АД) крови, а именно, его систолического Рs и диастолического Рd давлений, импедансная плетизмография позволяет получить кривую изменения сопротивления участка тела человека, так называемую рео-грамму.
Механический метод: Для исследования тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются электродинамические и пьезоэлектрические микрофоны.
Тонометр на основе пьезоэлектрического преобразователя сможет решить сложившуюся ситуацию в медицине. Суть метода заключается в измерение напряжения, которое возникает в преобразователе после прохождения пульсовой волны, определенной силы. Зависимость напряжения на преобразователе от давления человека вычисляется математическим способом.
Математическая модель устройства
Рассмотрим зависимость напряжения от перемещения преобразователя:
Е = К - Ах, где Е - напряжения на выходе преобразователя К - общий коэффициент преобразования
Ах - перемещение преобразователя Закон Гука:
а = k -Ах
Ах = а k
Связь силы и давления:
а = s - р
, где
S - площадь соприкосновения головки преобразователя с телом человека Р - давление
Вычисление зависимости АД от движения головки первичного преобразователя с помощью системы уравнений:
= £-Ах \ S-р = £-Ах
[а = s - р
Р = £-Ах
S ,
£
где К— — - общий коэффициент преобразова-
3
ния.
Рисунок 1 - Конструкция первичного преобразователя (1 - пластина; 2 - преобразователь; 3 - крепление; 4 - выводы.)
Структурная схема экспериментального макета:
Первичный преобразователь Усилитель Осцилло-
—► граф
Рисунок 2 - Структурная схема экспериментального макета
Данный экспериментальный макет неоднократно подвергался испытаниям на определение необходимых информативных параметров, таких как АЧХ, ФЧХ, сигнал/шум и стабильность работы в комплексе с другим оборудованием. В ходе эксперимента получили информацию о рабочей частоте и о возможности применения пьезоэлектрического преобразователя в целях измерения артериального давления.
Эксперименты подтвердили, что на представление информации влияют приборы, участвующие в опытах. Чтобы устранить эту неточность включили в эксперимент недостающее звено - фильтр низких частот третьего порядка (ФНЧ) на 10Гц. С применением ФНЧ стало возможным подавление высокой частоты, которая скрывала несущую инфор-мацию о работе преобразователя. После улучшения конструкции датчика стало возможным исследование наиболее сцецифи-ческих возможностей звукоснимателя (первичного преобразователя).
Труднее всего оценивается степень мешающего воздействия нелинейных искажений. По своему происхождению эти искажения можно разделить на две группы. К одной из них относятся искажения, возникающие из-за нелинейности преобразования. Эти искажения вызывают амплитудную модуляцию, поэтому относительно колебаний с основной частотой
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2/1, 2012
как на несущей возникают частоты боковых полос (комбинационные звуки). Они представляют собой относительно небольшую помеху, потому что ее значение не зависит от частоты и у современных головок звукоснимателей пренебрежимо мало. Ко второй группе относятся искажения огибания, возникающие вследствие геометрических различий между резцом рекордера при записи и иглой звукоснимателя (пьезоэлектрического преобразователя) при воспроизведении. Кроме гармонических составляющих, они вызывают фазовую модуляцию. Эти искажения увеличиваются пропорционально частоте, поэтому их мешающее действие чрезвычайно велико и они считаются определяющими искажениями головки звукоснимателя.
Так как количественно определить нелинейные искажения невозможно, был проведен опыт с применением 10 гирек массой 1-10г, на пьезоэлектрический преобразователь с одинаковой скоростью подавался груз, и в ходе эксперимента было выяснено, что при подаче груза в 3г, первичный преобразователь выдает минимальные нелинейные искажения.
Одним из самых главных параметров, на которые следует обратить внимание, является прижимная сила звукоснимателя, которая не должна превышать 30 мН. Заданные в паспорте звукоснимателя минимальное и максимальное значения прижимной силы нельзя уменьшать или превышать. По возможности целесообразно установить рекомендуемое значение, так как прижимная сила влияет на вертикальный угол воспроизведения. Только при заданной изготовителем прижимной силе он будет равен 15°. Для звукоснимателей, имеющих укороченный иглодержатель, более благоприятным является больший вертикальный угол. По итогам экспериментов вертикальный угол воспроизведения у применяемого преобразователя составляет 19°.
Проведя ряд экспериментов первичного преобразователя, была разработана структурная схема макета для измерения артериального давления в основу, которой вошли блок микроконтроллера и обработка результатов в программе LabView. На рисунке 3 представлена структурная схема макета.
Рисунок 3 - Структурная схема макета
Для анализа разрабатываемого прибора, была сформирована модель генератора, благодаря которому синусоидальный сигнал поступает на микроконтроллер, а данные обрабатываются с помощью АЦП, встроенный в АТтеда16. Для микроконтроллера АТтеда16 была написана программа, которая позволяет микроконтроллеру считывать информацию с
пьезоэлектрического преобразователя, обрабатывать данные и выводить обработанную информацию в пакет программы LabView.
На основе проделанной работы был разработан макет устройства измерения АД с применением пьезоэлектрического преобразователя. Достоверность работы макета проводилась в сравнение с работой уже действующего прибора, основанного на осцилло-метрическом методе, тонометр фирмы OMRON серии M2 Basic (HEM-7116-ARU).
Для определения среднего коэффициента зависимости напряжения от артериального давления был проведен ряд экспериментов, в котором приняли участие 20 человек. Участники прошли предварительный осмотр, на котором измерили свое артериальное давление с помощью прибора Omron M2 Basic (HEM-7116-ARU). После осмотра, давление человека измерялось устройством определения артериального давления на основе пьезоэлектрического преобразователя, и производился расчет усредненного коэффициента. Эксперимент показал, что коэффициент зависимости артериального давления от напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе составляет 45,689.
Одной из самых главных причин разработки нового медицинского оборудования является предоставление достоверной информации об артериальном давлении пациента. Для подтверждения надежной работы макета был проведен опыт, в основу которого вошли испытания, проведенные прибором с пьезоэлектрическим преобразователем, и тонометром, выполненным на основе осциллометри-ческого метода Omron M2 Basic (HEM-7116-ARU). На основе проделанного эксперимента составили таблицу 1 и 2.
Psp - среднее систолическое давление, измеренное с помощью тонометра Omron на правой и левой руке;
Pdp - среднее диастолическое давление, измеренное с помощью тонометра Omron на правой и левой руке;
Psm10 - Psm60 - систолическое давление на приборе с применением пьезоэлектрического преобразователя в разное время измерения от 10 до 60 секунд.
Pdm10 - Pdm60 - диастолическое давление на приборе с применением пьезоэлектрического преобразователя в разное время измерения от 10 до 60 секунд.
Физические нагрузки всегда влияли на показания тонометров, одной из основных задач создания нового прибора стало изобретение устройства для измерения артериального давления, на которое не будет влиять внешние факторы, занятия спортом и образ жизни пациента. Опыт с нагрузкой помог определить зависимость измерения АД от физических нагрузок человека, выполняемые во время определения артериального давления. Экспе-
римент проводился с применение тонометра OMRON и макета на основе пьезоэлектрического преобразователя. В ходе опыта человеку была дана задача в течение измерения АД:
выполнять физические упражнения, а измерителю вычислить зависимость показания прибора от нагрузки. Данные эксперимента были занесены в таблицу 3.
Таблица 1 - Измерение артериального давления на протяжении 40 секунд
Psp Pdp Psm10 Pdm10 Psm20 Pdm20 Psm30 Pdm30 Psm40 Pdm40
127 78 132,02 81,15 120,89 79,41 125,62 78,53 124,98 82,14
136 70 144,92 75,24 130,56 70,12 135,27 69,14 138,47 71,26
100 64 115,61 67,25 107,34 68,21 98,81 60,49 97,35 62,57
114 69 128,92 78,23 120,84 73,26 106,54 68,72 112,39 65,36
122 70 129,37 75,64 132,51 72,31 120,54 69,82 125,7 68,23
98 64 111,12 71,56 109,37 69,34 101,54 64,38 98,36 66,28
136 72 144,39 75,64 139,54 73,57 135,47 71,49 132,64 69,89
123 72 135,92 74,86 128,64 75,32 120,74 73,06 119,82 72,14
119 61 129,67 68,54 124,38 65,47 120,31 60,12 114,25 62,38
122 64 131,35 69,25 125,54 64,35 124,39 63,89 120,51 68,74
106 65 111,23 68,94 105,84 64,35 107,36 61,32 104,96 62,37
104 63 109,64 69,85 105,38 64,35 107,25 62,38 102,36 62,14
140 78 145,36 81,25 142,39 80,25 138,56 75,36 137,25 74,95
111 59 125,34 63,67 120,84 60,12 108,27 57,28 102,69 63,67
110 73 119,86 79,34 115,82 75,28 108,36 71,36 105,67 76,24
113 65 118,79 66,58 115,84 62,34 110,69 68,75 109,87 63,57
123 66 128,57 63,89 124,69 64,57 127,36 67,35 125,64 62,38
104 58 110,62 62,31 105,62 59,75 100,31 56,24 103,68 58,72
124 66 125,62 68,71 123,64 64,52 122,82 66,99 124,69 63,24
102 51 108,79 53,64 104,62 50,28 100,34 51,24 101,58 50,36
Таблица 2 - Измерение артериального давления на протяжении 20 секунд
Psp Pdp Psm50 Pdm50 Psm60 Pdm60 Psm Pdm Ys Yd
127 78 134,72 75,28 126,37 76,24 127,43 78,79 -0,34 -1,01
136 70 136,29 73,48 139,24 75,91 137,46 72,53 -1,07 -3,61
100 64 104,61 60,27 99,24 62,28 103,83 63,51 -3,83 0,76
114 69 115,71 66,94 114,92 69,35 116,55 70,31 -2,24 -1,90
122 70 123,75 71,45 121,34 74,36 125,54 71,97 -2,90 -2,81
98 64 97,25 65,72 104,67 62,57 103,72 66,64 -4,84 -4,13
136 72 136,85 73,51 138,54 74,82 137,91 73,15 -1,40 -1,60
123 72 125,34 70,98 123,67 68,45 125,69 72,47 -2,19 -0,65
119 61 119,72 58,39 117,38 61,57 120,95 62,75 -1,64 -2,86
122 64 121,47 64,39 118,87 66,71 123,69 66,22 -1,38 -3,47
106 65 103,28 62,98 100,34 60,15 105,50 63,35 0,47 2,54
104 63 101,45 64,32 100,98 61,45 104,51 64,08 -0,49 -1,72
140 78 139,65 80,29 141,32 82,75 140,76 79,14 -0,54 -1,46
111 59 113,64 56,14 115,82 57,25 114,43 59,69 -3,09 -1,17
110 73 111,64 70,72 117,52 71,58 113,15 74,09 -2,86 -1,49
113 65 113,65 62,59 117,85 61,48 114,45 64,22 -1,28 1,20
123 66 126,39 67,58 122,57 62,35 125,87 64,69 -2,33 1,99
104 58 102,47 59,18 100,59 61,14 103,88 59,56 0,11 -2,68
124 66 120,35 67,86 121,84 65,72 123,16 66,17 0,68 -0,26
102 51 98,36 51,47 99,24 52,87 102,16 51,64 -0,15 -1,26
Эксперимент доказал, что прибор на основе осциллометрического метода не способен измерять АД в постоянном ритме человеческой жизни, т.к. все нагрузки будут влиять на достоверность работы оборудования. Устройство же измерения артериального давле-
ния с применением пьезоэлектрического преобразователя способно работать в режиме реального времени, измеряя мгновенные значения артериального давления независимо от стиля жизни пациента.
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2/1, 2012
РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОНИТОРА СКОРОСТИ КРОВОТОКА В СОСУДАХ
ЧЕЛОВЕКА
Таблица 3 - Испытание макета_
№ Параметр / условия Испытуемый 1 Испытуемый 2
1 Пол женский мужской
2 Возраст 57 24
3 Состояние организма пониженное давление нормальное давление
4 АД прибором OMRON в покое 115/63 114/65 130/74 129/70
5 АД прибором OMRON под нагрузкой error error error error
6 Измерение АД экс. макетом в покое чел. 111,74/72,91 123,62/67,34 127,29/66,81 129,08/64,78
7 Измерение АД макетом под нагрузкой 133,49/72,91 158,83/66,21 176,32/68,84 191,18/63,39
Выводы
Разработано и исследовано устройство, способное измерять мгновенные значения АД с погрешность, которая не превышает 5%. Ряд экспериментов доказали работоспособность и простоту применения устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Селиванов, Е. П. Прибор для определения параметров артериального давления косвенным методом / Е. П.Селиванов, Р. Ш. Хали-ков// Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Издатель-
УДК 612.15
ство Пенз. гос. техн. ун-та, 1993. — Вып. 18. — С. 115-118.
2. Мордашкин, В. К. Малогабаритный прибор для измерения артериального давления/ В. К. Мордашкин, О. Л.Гусев // Межвуз. сб. науч. тр. — Пенза: Издательство Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. — Вып. 3. — С. 22-25.
Ассистент Шкляр Е.И., доцент Миляев Д.В., - каф. Информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета, тел.(3822)-41-89-11, [email protected]
РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОНИТОРА СКОРОСТИ КРОВОТОКА В СОСУДАХ ЧЕЛОВЕКА
А.С. Рябоконь
Рассматриваются основные подходы и технические особенности при проектировании мобильного ультразвукового монитора скорости кровотока в сосудах человека. На основании анализа области применения прибора формулируются исходные функционально-технические требования. Проводится сравнительный анализ возможных вариантов реализации подсистем прибора и оценка требований к вычислительному устройству. Приводятся результаты экспериментов разработанного макета прибора.
Ключевые слова: мобильный ультразвуковой монитор скорости кровотока; основные подходы; разработка макета
Введение
Исследование процессов функционирования сердечнососудистой системы человека может представлять интерес как в целях построения гемодинамических моделей [1], так и в целях определения состояния водителя автотранспортного средства. Мониторирова-ние подразумевает накопление значительного объема измеренных данных в течение длительного исследования (до нескольких часов), когда человек совершает нормальные нагрузки: двигается и выполняет обычные действия. При этом, мониторирование кровотока в функциональной диагностике, осуществляемое на основе эффекта Допплера при ультразвуковом облучении, преимущественно применяется в цереброваскулярных исследованиях [2].
Целью разработки мобильного ультразвукового монитора скорости кровотока
ММСК является создание аппарата для длительных неинвазивных исследований кровотока крупных магистральных сосудов человека, таких как общая сонная артерия ОСА. Исходя из этого, основными техническими требованиями к прибору являются: малые масса и габариты как, например, у современных мобильных телефонов время непрерывной работы от Li-pol аккумулятора 4-6 часов, запись результатов исследований на карту памяти MicroSD, наличие дисплея и минимум органов управления. Требования, предъявляемые на основе анализа объекта [3,4] исследования и исходя из физики ультразвука [5], приведены в таблице 1.
Разработка мобильного ультразвукового монитора
Возбуждение УЗ сигнала осуществляется при помощи пьезодатчиков. Как правило,
А.С. РЯБОКОНЬ
207
