7 семестр / Лаба 1 / Metoda

В настоящее время разработаны также капнометры для использования в домашних условиях. В качестве примера подобных приборов можно привести капнометр N-Tidal (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Внешний вид капнометра N-Tidal

Прибор представляет собой небольшой персональный капнометр с питанием от батареи, используется для измерения количества CO2 в выдыхаемом воздухе.

42

За счет максимальной миниатюризации данное портативное устройство с питанием от батареи может использоваться врачами общей практики, специалистами по респираторным заболеваниям, а также пациентами у себя дома. Миниатюризация системы позволяет разместить датчик непосредственно перед ртом, что значительно улучшает чувствительность к концентрации CO2 в каждом отдельном профиле дыхания. Устройство предназначено для использования пациентами с заболеваниями, связанными с дыханием, такими как астма, хроническая обструктивная болезнь легких и застойная сердечная недостаточность.

Для того чтобы использовать устройство, необходимо просто вдыхать и выдыхать через него воздух в нормальной расслабленной манере. Сменная дыхательная трубка со встроенным инфракрасным окном позволяет использовать прибор нескольким пациентам и предотвращает перекрестное инфицирование. После начала измерений в течение нескольких секунд индикаторная система устройства в виде светофора (красный, желтый, зеленый) сообщит пользователю о состоянии здоровья легких и при необходимости укажет, требуется ли последующее общение с врачом или вызов в больницу для дальнейшего лечения. Электроника внутри устройства собирает данные с датчика, анализирует запись дыхания и передает их по беспроводной связи на защищенный сервер.

Завершая рассказ про капнометры отметим, что в современных приборах реализуется возможность мультигазового измерения (концентрации углекислого газа, кислорода, закиси азота, паров анестезирующих веществ во вдыхаемой и выдыхаемой смеси). Основной подход к построению мультигазовых капнометров основан на том, что анализируемые газы и пары имеют значительно различающиеся спектры поглощения инфракрасного света, причем двухатомные газы, в том числе доминирующие в дыхательных смесях кислород и азот, инфракрасное излучение вообще не поглощают.

43

2. МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРГАНИЗМА

2.1.Приборы для инвазивного измерения давления крови

ипараметров пульсовой волны

Одним из важных показателей деятельности сердечно-сосудистой системы является давление в венах и артериях. Наиболее точные измерения этих показателей обеспечиваются инвазивными методами с помощью катетерных датчиков, которые чаще всего вводятся в лучевую артерию. Это обусловлено ее хорошей доступностью и возможностью обеспечения коллатерального (обходного) кровотока в конечностях [14].

В датчиках для инвазивного измерения давления могут использоваться малогабаритные мембраны, упругие деформации которых преобразуются в электрический сигнал с помощью чувствительных элементов. В качестве таких элементов в датчиках давления крови используют различные типы первичных преобразователей (тензометрические, емкостные, пьезоэлектрические, полупроводниковые), трансформирующие величину давления, воздействующего на мембрану, в изменение его электрических характеристик (сопротивление, емкости, напряжения и др.). Широкое распространение получили тензометрические датчики, имеющие хорошие метрологические характеристики. Датчик, с помощью которого давление преобразуется в электрический сигнал, может непосредственно вводится в артерию или вену либо располагаться на другом конце катетера. Во втором положении датчика для работы с крупными сосудами катетер выполняют из резины, тефлона или полиэтилена. Его конец имеет форму шарика с боковым отверстием. На втором конце катетера закреплена деформируемая мембрана. Около нее расположено отверстие, предназначенное для его заполнения физиологическим раствором. Перед введением в сосуд катетер заполняется физиологическим раствором без воздушных пузырьков. Этот столбик жидкости, колеблясь синхронно с колебаниями кровотока в сосудах, передает колебания мембране, и далее чувствительный элемент преобразует его в электрический сигнал. При такой схеме построения датчика на динамические характеристики трактопреобразования давления в электрический сигнал влияют диаметр и длина катетера, плотность и вязкость заполняющей его жидкости, степень эластичности трубок катетера. Наличие в катетере пузырьков воздуха приводит к ухудшению качества передачи пульсации давления и их искажениям.

44

Схеаматически процесс измерения артериального давления с использованием подобной методики показан на рис. 2.1, а на рис. 2.2 представлен пример датчика, который может применяться в таких системах.

Артериальная линия

Монитор модульного типа

Модуль инвазивного АД Артериальная канюля

Интерфейс к монитору

Мембранный трансдюсер – преобразователь сигнала

Рис. 2.1. Методическая схема измерения артериального давления инвазивным способом

Рис. 2.2. Тензометрический датчик для инвазивного измерения величины артериального давления

45

При введении датчика внутрь сосуда можно получить значительно лучшие динамические характеристики. Рассмотрим схему датчика, где механические перемещения мембраны модулируют световой поток, который далее преобразуется в электрический сигнал (рис. 2.3).

Направление светового потока

Фотодиод

Рис. 2.3. Структурная схема датчика давления, вводимого в сосуд

Вкатетере такого датчика располагаются два тонких световода. Пучок света от фотодиода через один из световодов попадает на мембрану, расположенную на торце катетера. При деформации мембраны световой поток, попадающий во второй световод и фотодиод, меняются по величине из-за изменения углов падения и отражения. В результате этого электрический сигнал, снимаемый с фотодиода, повторяет колебание мембраны. Введение третьего световода и второго фотодиода позволяют минимизировать погрешность, вызываемую измерением интенсивности свечения светодиода путем вычисления отношений сигналов, получаемых по двум измерительным каналам.

Внекоторых системах используются многоканальные катетеры, позволяющие измерять колебания давления на разных участках сосудистой системы. Рассмотрим структуру инвазивного измерителя давления, использующего тензометрический преобразователь величины деформации мембраны в электрический сигнал (рис. 2.4).

Тензометрический преобразователь использует свойство металлических

иполупроводниковых пленок изменять свое электрическое сопротивление при их механических растяжениях. Деформация F воздействует на чувствительные элементы измерительного моста (ИМ), питающегося от источника тока (ИТ). Выходной мостовой сигнал измерительной цепи усиливается усилителем У1, который имеет дифференциальные входы и реализует частотную

46

коррекцию входного сигнала, что позволяет уменьшить погрешности и обеспечить согласование измерительного моста с последующими элементами схемы. Во втором усилителе У2 осуществляется установка нуля, необходимая при тарировке датчика. Мультиплексор (МС) по сигналу от ПЭВМ или микропроцессора осуществляет цифровую регулировку коэффициента усиления У3, обеспечивая требуемый динамический диапазон работы АЦП. Для снижения динамической погрешности измерений третий усилитель может быть охвачен частотно-зависимой обратной связью.

ИТ

Рис. 2.4. Структурная схема тензометрического измерителя давления

Обычно измерительная цепь тензометрического датчика выполняется по мостовой схеме с двумя тензометрическими чувствительными элементами (ЧЭ). Один ЧЭ располагается у места заделки мембраны, где деформация максимальна. При этом для уменьшения температурных погрешностей температура обоих чувствительных элементов должна быть одинакова. Чувствительные элементы с сопротивлением включаются в соседние плечи. При таком включении, если мост уравновешен, изменение температуры датчика не приводит к появлению выходного сигнала. При использовании микроэлектронных технологий все резисторы мостовой схемы могут быть выполнены внутри датчика. При этом два из них располагаются в местах наибольших, а два – в местах наименьших деформаций.

Системы катетеризации сосудов для измерения АД могут иметь разветвления с клапаном отбора крови для ее анализа, а также для введения раствора гепарина, снижающего риск образования тромбов.

2.2. Приборы для измерения механических параметров дыхательной системы

При исследовании функций внешнего дыхания значительное место занимают методы и средства контроля показателей механики вентиляции легких, которые характеризуются давлением, объемом легких и скоростью его изменения.

47

Измерение показателей давления в дыхательной системе осуществляется

спомощью специальных датчиков, конструкция которых аналогична конструкции датчиков для инвазивного измерения давления крови. Разница заключается в том, что на мембрану вместо жидкости давит газовый поток. При построении и расчете таких датчиков следует учитывать, что акустическая растяжимость газа (в отличие от жидкости) часто лежит в тех же пределах, что и растяжимость измерительной мембраны. При измерении показателей давления дыхательного контура в основном измеряется разность давлений, которая, как правило, регистрируется при помощи дифференциальных манометров, имеющих две камеры, разделенные мембраной, с прикрепленными тензодатчиками. Катетер, подводящий газ, подается в обе камеры, и для обеспечения требуемой точности измерений необходимо, чтобы характеристики передающих путей были идентичны во всем частотном диапазоне измерений. Схема измерительного канала датчиков дыхания аналогична схеме тензометрического измерителя давления, рассмотренной ранее.

Кизмерительному каналу для оценки параметров дыхательного давления предъявляются следующие требования: диапазон измерения –10…+100 ГПА, предел допустимой погрешности ±2 % – от полной шкалы, +4 % – от действительного значения, амплитудно-частотная характеристика – от 0 до 7 Гц

споследующим спадом не менее 20 дБ на октаву. Современные датчики давления обеспечиваются механизмом термокомпенсации.

Каналы измерения давления используются во многих аппаратах искусственной вентиляции легких для мониторинга и управления процессом дыхания.

Измерение параметров, связанных с движением газа, несет важную информацию о состоянии дыхательной системы. Объемную скорость потока и интеграл от нее по времени используют для оценки скорости изменения объема легких и соответственно изменения величины самого объема. Приборы, предназначенные для измерения объемной скорости газового потока, называют объемными расходомерами. Объем, занимаемый некоторой массой газов при известных температуре и давлении, определяется спирометрами. При построении измерительных систем, регистрирующих проходящие потоки газов, датчики располагаются перпендикулярно к потоку. При этом возможно два основных варианта конструкции, когда весь поток проходит через прибор или накапливается в нем. Используемые в практической медицине респираторные расходомеры делятся на ротационные, ультразвуковые,

48

ды. Простейший механический датчик ротационного объемного расходомера представ-

дикулярно потоку воздуха (3), а второй управляет стрелочным индикатором (2). Роторы расположены таким образом, что при вращении ротор 3 начинает также закручивать ротор 2, который в свою очередь отклоняет стрелку индикатора. Скорость вращения ротора 2 пропорциональна объемной скорости потока газа. На рис. 2.6 представлен внешний вид подобного прибора.

Рис. 2.6. Механический объемный расходомер

49

Возможны и другие варианты конструкции ротационных расходомеров. Лопасти вертушки можно использовать для прерывания светового потока, изменения магнитной индукции в индуктивных датчиках и т. д. Получаемые импульсы усиливаются и подсчитываются измерительными схемами. В качестве примера подобной схемы можно привести турбинный расходомер (рис. 2.7).

Чувствительный элемент (счетчик импульсов) Выпрямители

потока

Выпрямители

потока

Турбинный ротор

Рис. 2.7. Схема турбинного объемного расходомера

В данном приборе поток воздуха закручивает турбинный ротор, угловая скорость вращения которого становится пропорциональна объемной скорости потока воздуха. Угловая скорость ротора определяется счетчиком импульсов на основе эффекта Холла. Поскольку для того, чтобы получить достоверное значение скорости потока в данном датчике необходимо, чтобы он был ламинарным, то на входе и выходе расположены специальные выпрямители потока.

Наиболее очевидным достоинством таких конструкций является их простота. К недостатку этого типа датчика относят то, что его передаточная функция изменяется с течением времени (в силу постепенного изменения свойств механической составляющей датчика), что порождает нестабильность измерений. Кроме того, его инерционность снижает рабочий диапазон измерений.

Более точными измерителями являются пневмотахометры – устройства, использующие эффект сопротивления движущемуся воздуху, которые обеспечивают линейную зависимость между потоком и падением давления. Наиболее распространены два типа резистивных элементов (рис. 2.8).

50