Лекция 9 Аппаратура для исследования механических свойств биообъектов
Механические проявления жизнедеятельности несут значительную долю полезной информации о функциональном состоянии как отдельных органов и систем, так и организма в целом. Например, регистрация вибрационных феноменов на поверхности тела является традиционным способом получения информации о состоянии сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и пищеварения. Используя датчики механического типа (перемещения, ускорений, усиления, давления и т. д), производят измерение: кровяного давления, механических характеристик органов желудочно-кишечного тракта, системы дыхания и т. д.
Приборы для инвазивного измерения давления крови и параметров 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 хорошей её доступностью и возможностью обеспечения коллатерального (обходного)кровотока в конечностях.
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, ёмкостные, пьезожлектрические, полупроводниковые). Трансформирующие величину давления, воздействующего на мембрану, в изменение его электрических характеристик (сопротивление, ёмкости, 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 неё 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, передаёт колебания к мембране, и далее чувствительный элемент преобразует его в электрический сигнал. При такой схеме построения датчика на динамические характеристики трактапреобразования 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.
При введении датчика в внутрь сосуда можно получить значительно лучшие динамические характеристики. Рассмотрим схему датчика, в котором механические перемещения мембраны модулируют световой поток, который далее преобразуется в электрический сигнал:
Рисунок 1. Структурная схема датчика давления вводимого в сосуд
В катетере 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 путём вычисления отношений сигналов, получаемых по двум измерительным каналам.
В некоторых 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:
Рисунок 2. Структурная схема тензометрического измерителя давления
Тензометрический преобразователь использует свойство металлических и полупроводниковых плёнок изменять своё электрическое сопротивление при их механических растяжениях. Деформация F воздействует на чувствительные элементы измерительного моста (ИМ), который питается от источника тока (ИТ). Выходной мостовой сигнал измерительной цепи усиливается У1, который имеет дифференциальные входы и реализует частотную 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.
Рисунок 3. Электрическая схема измерительной цепи тензометрического датчика 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 R1 и R2 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 её анализа, а также для введения раствора гепарина, снижающего риск образования тромбов.