Билет №3

Вопрос 1

1. Датчики давления крови человека и животных.

В медицине используются датчики для измерения следующих видов давления:

Таблица 2. 2

Датчики давления	Диапазон давления	Максимальный габарит жесткой части, мм	Максимальная абсолютная погрешность
Венозного давления крови	-30+300 мм рт. ст.	3,610	10 мм вод. ст.
Артериального давления крови	-30+300 мм рт. ст.	3,610	3 мм рт. ст.
Внутриплеврального:
Нормального	-10+15 мм рт. ст.	0,42,2510	1 мм рт. ст.
Форсированного	-60+120 мм рт. ст.		5 мм рт. ст.
Дыхательного тракта:
Нормального	-10+10 мм рт. ст.		1 мм рт. ст.
Форсированного	-60+120 мм рт. ст.		5 мм рт. ст.
Пищеварительного тракта	-30+300 мм рт. Ст.	515	10 мм вод. ст.
Контактного давления при стоматологических исследованиях	05 Н	Толщина 0,3 Ширина 2	0,1 Н

Как видно из таблицы, датчики должны быть высокоточными и малогабаритными, т. е. меньше влиять на жизнедеятельность организма при измерении.

Создание устройств, предназначенных для измерения параметров кровотока непосредственно во внутренних полостях сердечно-сосудистой системы человека и животных, является актуальной задачей, решение которой необходимо для клинических и биомедицинских исследований. Одним из важнейших параметров кровотока является артериальное и венозное давление. Давление и особенно изменение давления в системе кровообращения в значительной степени определяет параметры давления в других полостях — грудная полость, спинномозговая полость, глазное яблоко и т. д.

прямой метод определения давления крови предусматривает измерение давления непосредственно в русле сосуда или полости сердца в отличие от косвенных методов, при которых давление передается через стенки сосудов и другие ткани на устройства, определяющие давление на базе косвенных критериев. До настоящего времени для измерения давления крови прямым методом применяли в основном устройства, датчики которых находились вне организма и были связаны с источником давления, гидравлически, при помощи иглы или катетера, на наружных концах которых они размещались. Второй (внутренний) конец катетера (иглы) вводится в организм, в ту полость сердечно-сосудистой системы, где необходимо измерять давление. Использование иглы как приемника давления доступно в основном для внешних сосудов и имеет ограниченный характер (кратковременность эксперимента и т. д.). Датчики, используемые при упомянутом методе измерения давления крови, принято называть наружными (выносными).

2.Миниатюрные полупроводниковые внутриполостные датчики

Использование катетера как канала передачи давления имеет целый ряд недостатков, основные из них следующие:

1) ввиду значительной длины гибкого катетера (около 1 м) при его перемещениях, изгибах, колебаниях и прочих случайных движениях возникают аддитивные и мультипликативные помехи, величина которых нередко превышает полезный сигнал;

2) необходимость уравновешивания статических давлений в живом организме ив датчике усложняет проведение эксперимента и требует значительного подготовительного времени, что исключает проведение измерений на живых объектах при их свободных перемещениях в естественных условиях;

3) низкие частотные свойства метода измерения (как правило, до 15—20 Гц) по причине увеличения массы подвижных частей из-за длинного измерительного канала:

, (2. 12)

где m – масса подвижных частей;

 - частота собственных колебаний системы;

 - жесткость;

m_ж - масса жидкости.

Поэтому в настоящее время используются датчики непосредственного измерения давления, имеющие чувствительный элемент в полости давления (вене, артерии, полости сердца). Такой датчик располагается на конце катетера в виде мембраны.

Жесткость мембраны ДД определяется из условий:

А. Линейности статической характеристики датчика. Плоская, заделанная по контуру, мембрана имеет нелинейность не более 1% при прогибе ее центра, не превышающем 0,2 от ее толщины.

Б. Частотных свойств датчика.

Частота собственных незатухающих колебаний датчика определяется зависимостью

[Гц], (2. 13)

где f₀ - частота собственных незатухающих колебаний, Гц;

R - радиус мембраны, м;

Е_v - модуль объемной упругости ( );

p - максимальное рабочее давление, V - объем, ометаемый мембраной при давлении p;

l - длина катетера, м;

 - плотность среды, кг/м³.

Частота собственных затухающих колебаний определяется зависимостью

[Гц], (2. 14)

где  - динамическая вязкость среды, Нс/м^-2.

Ометаемый объем V может быть определен как расчетным, так и экспериментальным путем; в последнем случае целесообразно использовать стеклянный капилляр с отверстием диаметра -0,1—0,2 мм и определять V при давлении 300 мм рт. ст. по величине перемещения мениска в капилляре. При этом заполнение жидкостью полости под мембраной и капилляра должно быть вакуумным.

Для внутриполостных ДД величина V не должна превышать 0,01—0,05 мм³.

В. Механической прочности и устойчивости мембраны.

Конструкция упругого элемента мембраны, способ ее заделки и материал в значительной степени определяют характеристики датчика. Она может быть выполнена плоской или колпачковой из листового материала с последующей калибровкой и термообработкой. Эти мембраны наиболее перспективны и имеют высокие упругие свойства, отличаются повышенной чувствительностью и технологичностью изготовления.

Мембраны и корпус датчика должны изготавливаться из сплавов с высокими упругими свойствами и с коэффициентом линейного расширения, равным или близким по величине с коэффициентом линейного расширения кремния (_t=3,210^-6 1/°С).

Применяемые в настоящее время рентгеноконтрастные сердечные катетеры предназначены для введения в полость сердца или крупные вены. Они изготавливаются из пластмассового материала на трубчатой основе, сотканной из хлопчатобумажной или синтетической нити. Номер катетера соответствует длине периметра по наружному диаметру в мм (например, катетер номер 11 имеет наружный диаметр 3,6 мм). Длина катетера около метра.

Катетеры должны обладать стабильными определенными вязкоупругими свойствами. Модуль объемной упругости катетеров резко увеличивается со снижением диаметра (например, у катетера номер 8 он равен 8010⁹ динсм^-5, а у катетера номер 9  1210⁹ динсм^-5) и резко уменьшается с повышением температуры.