Применение преобразователей перемещений и силы в медицине

Описанные выше преобразователи перемещений и силы приме­няют в различных аппаратах и системах медицинского назначения, служащих для измерения температуры, давления, расхода, объема, массы и др.

Резистивные преобразователи (см. рис. 6.1, а) в медицинской практике используют для измерения частоты дыхания, а преобразо­ватели (см. рис. 6.1, би г) — частоты и глубины дыхания. Их называют анемографами (лат. pneuton — легкие). При обследовании к скобам крепят опоясывающий грудную клетку ремень, а изменение электри­ческого сопротивления преобразователя измеряют с помощью изме­рительных устройств, описанных в гл. 1. Эти преобразователи имеют

Рис. 6.9. Схемы приемников пульса электрических сфигмографов:

1 — сосуд; 2—ткань; 3 — преобразователь перемещений или силы; 4—электронное измерительное устройство; 5 — элемент устройства крепления преобразователя; 6 — пелот; 7 — воронка; 8 — дат­чик давления; 9 — резиновая трубка; 10 — мембрана

высокую чувствительность, однако обладают высокой погрешностью ± (5—10) %, связанной с гистерезисной статической характеристи­кой.

Для исследования механической активности сердца применяют сфигмографы, кинетокардиографы, баллистокардиографы, динамокар­диографы.

Сфигмографы (греч. sphygmos — пульс, биение + grapho — пишу) представляют собой измерительные установки, служащие для изме­рения и регистрации движений артериальной стенки, возникающих под влиянием волны давления крови при каждом сокращении сердца.

Современные сфигмографы являются электрическими средства­ми измерений и содержат приемник пульса с электрическим выход­ным сигналом, подключенным к регистратору. Наиболее важной ча­стью сфигмографа является приемник пульса.

На рис. 6.9 показаны схемы различных приемников пульса. Мож­но выделить три принципиальные схемы приемников пульса: прием­ник с непосредственным восприятием колебаний стенки сосуда, приемнике восприятием колебаний через пелот (металлический, ре­зиновый или пластмассовый стержень) и приемник с восприятием колебания через столб воздуха.

Наиболее простыми являются первые из названных приемников пульса (рис. 6.9, а). Они представляют собой преобразователи пере­мещений или силы (угольные, емкостные, тензорезистивные или пьезоэлектрические), закрепляемые на месте исследования (напри­мер, над сосудом) резиновой лентой, ремешком или упругой метал­лической дугой. Движение стенки сосуда воздействует на преобразо­ватель, который преобразует эти механические движения в электри­ческий сигнал. Последний усиливается и записывается регистрато­ром (на рисунке регистратор не показан).

Конструкция электронного измерительного устройства, являю­щегося промежуточным преобразователем, зависит от типа преобра­зователя перемещений или силы.

Приемники пульса второго типа (рис. 6.9, б) дополнительно со­держат пелот и воронку, имеющую внешний диаметр 1—3 см. В таких приемниках движение стенки сосуда через пелот передается на пре­образователи перемещения (тензорезистивный, пьезоэлектриче­ский, индуктивный, емкостный или механотронный), преобразуется в электронный сигнал и регистрируется.

В приемнике третьего типа движения стенки сосуда воспринима­ются столбом воздуха, заключенным в герметичной трубке, вызыва­ют изменение давления воздуха в этом столбе, которое преобразуется и электрический сигнал датчиком давления. Здесь используются две схемы приемника. В схеме, показанной рис. 6.9, в, воронка наклады­вается на место измерений так, что образуется герметичная камера, состоящая из внутренней воронки и внутренней полости резиновой і рубки.

В качестве датчиков давления последних двух приемников ис­пользуют датчики (см. гл. 9), в состав которых входят емкостные, ин­дуктивные, тензорезистивные или пьезоэлектрические преобразова­тели перемещения или силы. Сигнал этих датчиков записывается ре- Iистратором.

На рис. 6.9, д показана сфигмограмма сонной артерии. Сфигмо- I рлфом подсчитывается частота пульса. Разработаны методики, ос­нованные на анализе продолжительности отдельных участков сфиг-

Рис. 6.10. Схема установки для измерения скорости распространения пульсовой

волны:

1, 5 — приемники пульса; 2, 4 — промежуточные преобразователи; 3 — регистратор

мограммы и соотношений высот волн сфигмограммы, позволяющие определять важные гемодинамические показатели системы кровооб­ращения, такие, как скорость распространения пульсовой волны, продолжительность фазы сердечного цикла, значение систолическо­го давления и некоторые другие.

На рис. 6.10, а показана схема установки для измерения скорости распространения пульсовой волны. Установка содержит два прием­ника пульса, подключенных к промежуточным преобразователям, и регистратор сигналов этих преобразователей.

Определение скорости распространения пульсовой волны W со­стоит в одновременной регистрации двух сфигмограмм, получаемых для разноудаленных от сердца сосудов (рис. 6.10, б, в), измерении по этим сфигмограммам запаздывания появления сигнала на более уда­ленной от сердца артерии по отношению к появлению сигнала на бо­лее близкой от сердца артерии и выполнении вычислений по формуле

At

где Xj и Lj — расстояния от сердца до первого и второго приемников пульса; At — время запаздывания, определенное по сфигмограмме.

Сфигмографы специальной конструкции используют для регист­рации венного пульса — флебограммы (греч. phlebos — вена). Для этой цели используются фотоэлектрические датчики (см. гл. 9 и 10).

a

6

и

Рис. 6.11. Схема кинетокардиографа (а) и кинетокардиограмма (б):

I — штатив; 2—держатель; 3 — датчик перемещений; 4 — тензорезисторный мост; 5—кабель; 6— измерительный блок; 7— регистратор; 8— упругая пластина; 9 —диск; 10— шток; 11 — жесткий

щит

Кинетокардиографы (греч. kinetikos — относящийся к движе­нию) — измерительные установки, предназначенные для измерений и регистрации низкочастотных вибраций стенки грудной клетки, обусловленных сердечной деятельностью.

Кинетокардиографы обеспечивают возможность изучения абсо­лютных движений грудной клетки в пространстве, поэтому располо­жение датчиков в пространстве не зависит от тела пациента. Обычно датчики размещают на консольной балке, вмурованной в капиталь­ную стену здания, или укрепляют на штативе, прикрепленном к жест­кому щиту, на котором размещается пациент. В зависимости от типа датчика различают кинетокардиографию перемещений, скоростей и ускорений.

На рис. 6.11, а показана схема кинетокардиографа перемещений. Датчик, укрепленный на штативе, содержит тонкую упругую метал­лическую пластину, на которой расположен тензорезистивный мост, с четырьмя тензорезисторами. Этот мост соединен с измерительным блоком, от которого он получает напряжение питания и который вос­принимает разбаланс моста.

В процессе исследования пациент размещается на жестком щите, диск датчика устанавливают в исследуемой зоне на грудной клетке. Движения грудной клетки через диск диаметром 7 мм и шток переда­ются плоской пластине и изгибают ее, что вызывает деформацию тен- юрезисторов моста и, как следствие, появление сигнала на его изме­рительной диагонали.

Сигнал кинетокардиографа перемещений имеет форму сложной кривой (рис. 6.11, б). С помощью кинетокардиографов получают ин­формацию о моментах раскрытия и закрытия клапанов сердца, о на­правлении и значении перемещений, скорости и ускорении движе­ния исследуемой зоны и др.

б

Рис. 6.12. Схемы баллистокардиографов (а, 6) и баллистокардиограмма (в):

1 — неподвижное основание; 2—система подвески; 3 — подвижная часть; 4 — преобразователь пе­ремещений; 5 — регистратор; 6 — массивный неподвижный стол; 7— неподвижная подставка или

мешочки с песком

6 7 I

Кроме тензорезистивных преобразователей в составе кинетокар- диографов могут использоваться пьезоэлектрические, емкостные и индуктивные преобразователи перемещений.

Баллистокардиографы (греч. ballo — бросать) — измерительные установки, предназначенные для измерений и регистрации реактив­ных микродвижений, вызванных механической деятельностью серд­ца. Измеряемыми величинами при этом могут быть перемещения (10—60 мкм), скорость и ускорение. Нарис. 6.12 показаны две наибо­лее распространенные конструкции баллистокардиографов.

Баллистокардиограф (рис. 6.12, а), размещенный на массивном неподвижном столе, содержит неподвижную и подвижную части, со­единенные упругой подвеской. На неподвижной части баллистокар- диографа также установлен преобразователь перемещений, который механически связан с подвижной частью. При исследованиях паци­ент располагается на подвижной части баллистокардиографа, по­

этому силовое действие, вызванное отдачей вследствие движения сердца и крови в ходе сердечного цикла, передается от тела пациента подвижной части баллистокардиографа и вызывает ее перемещение. Это перемещение воспринимается и преобразуется в электрический сигнал преобразователем перемещений, сигнал которого записыва­ется регистратором.

Более простым по конструкции является баллистокардиограф, схема которого показана на рис. 6.12, б. В этом случае пациент разме­щается непосредственно на неподвижном массивном столе, на кото­ром установлены штатив (на рисунке на показан) и преобразователь перемещений. В штативе с возможностью горизонтального переме­щения установлена подвижная планка, которая накладывается одно­временно на две голени пациента. Эта планка механически соедине­на с преобразователем перемещений. При исследовании под ахилло- вые сухожилия устанавливают особые подставки или мешочки с пес­ком для исключения случайных движений нижних конечностей и трения между столом и стопами пациента. В процессе исследований перемещения голеней пациента, вызванные механической деятель­ностью сердца, передаются подвижной планке, а через нее — преоб­разователю перемещений.

В конструкциях баллистокардиографов используют тензорези- стивные, пьезоэлектрические, конденсаторные, индуктивные и ин­дукционные преобразователи перемещений.

Запись перемещений подвижной части баллистокардиографа во времени представляет собой баллистокардиограмму (рис. 6.11, в). Анализ баллистокардиограмм позволяет определить ряд интеграль­ных гемодинамических показателей функции сердца: силу и коорди­нированность сердечных сокращений, объем и скорость систоличе­ского изгнания, особенность заполнения сердечных полостей во вре­мя диастолы и др.

Динамокардиографы (греч. dynamis — сила) — измерительные ус­тановки, предназначенные для измерения и регистрации перемеще­ний центра тяжести грудной клетки, обусловленных сокращениями сердца и движением крови в крупных сосудах.

Главной частью динамокардиографа являются специальные элек­тронные весы, состоящие из двух металлических плит размерами 100 х 300 мм, между которыми расположены упругие элементы с тен- u (резистивными преобразователями перемещений. При исследова­нии эти весы размещают под спиной пациента, лежащего на кушетке нии кровати. Весы воспринимают вес грудной клетки, силу, возни­кающую за счет дыхательных движений, и силу, возникающую за счет сердечных сокращений.

Перед проведением измерений начальный сигнал весов, вызы­ваемый действием веса грудной клетки, компенсируется электриче­ски, а регистрацию электрического сигнала весов, т. е. динамокардио­грамму, осуществляют при задержке дыхания в течение 5—8 с. Дина­мокардиографы позволяют количественно оценивать функциональ­ное состояние миокарда и диагностировать ряд форм сердечной патологии.