Содержание

     Введение 4

1. Обзор существующих устройств  сфигмометрии 7

1.1. Особенности  диагностики состояния организма  по 

        сфигмограммам 7

1.2. Структуры  сфигмометрических каналов 11

1.3. Особенности  применяемых датчиков-преобразователей 12

           1.3.1. Требования, предъявляемые к датчикам-

преобразователям, предназначенным для регистрации  сфигмограм 12

1.3.2. Виды  преобразователей для устройств  сфигмометрии 14

           1.3.3. Пьезоэлектрический  датчик для сфигмографии по 

 авторскому  свидетельству  СССР №1395285,

     кл. А 61 В 5/02 14

            1.3.4. Емкостной датчик  для гемодинамических 

      исследований 16

     1.4. Особенности схем обработки сигналов 17

      1.4.1. Транзисторный прибор для емкостной  регистрации 

      сфигмограмм 17

     1.4.2. Транзисторная приставка для  бесконтактной

                 регистрации флебограмм 20

      1.4.3. Электроманометр на основе промышленного

                 преобразователя давлений 21

      1.4.4. Механотронный электроманометр  для 

                 физиологических исследований 24

1.4.5. Высокочастотный  емкостной преобразователь 

                 в аппаратах ГОЭ-01 и ГОЭ-02 27 
 

2. РАСЧЕТ  И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ УСТРОЙСТВА

   СФИГМОМЕТРИИ 30

     2.1. Обоснование структурной схемы  измерительной системы

          сфигмометрии 30

2.2. Обоснование  и расчет функциональной схемы 

          измерительной части  устройства сфигмометрии 31

3. Обоснование и расчет принципиальной схемы

          функциональных узлов устройства сфигмометрии 41

     2.3.1. Кварцевый генератор 41

     2.3.2. Эмиттерный повторитель 45

     2.3.3. Система ФАПЧ в режиме следящего  фильтра 47

     2.3.4. Двухрежимная система ФАПЧ в  режиме следящего

           фильтра 48

     2.3.5. Вспомогательный кварцевый генератор 53

     2.3.6. Первый преобразователь частоты 54

     2.3.7. Второй преобразователь частоты 55

     2.3.8. Частотно-импульсный детектор 56

     2.3.9. Усилитель на входе частотного  детектора 60

     2.3.10. Аналого-цифровой преобразователь 61

3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ НАСТРОЙКИ

   ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО  БЛОКА УСТРОЙСТВА СФИГМОМЕТРИИ 64

3.1. Конструкция  измерительного блока устройства 

          сфигмометрии 64

3.2. Настройка  и регулировка аппарата 68

1. Цели, методы и этапы настройки 68
2. Схема рабочего места настройщика и

     регулировщика устройства сфигмометрии 71

3. Инструкция по заводской настройке и регулировке

     измерительного  блока устройства сфигмометрии 72

4. Инструкция по калибровке прибора 77
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 76

     4.1. Описание проектируемого устройства 76

2. Сегментирование рынка и оценка емкости рынка 77
3. Выявление конкурентов и анализ конкурентоспособности

  изделия 77

4.4. Стратегия  маркетинга 78

4.5. Расчет  себестоимости и цены изделия 82

4.6. План производства  и финансовый план 85

5. Системы фазовой автоподстройки частоты 86

5.1. Структурная схема и режимы работы системы ФАПЧ 86

5.2. Области  применения систем ФАПЧ 92

5.3. Исследование  системы ФАПЧ на основе ИС  К174ХА12 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ  ЛИТЕРАТУРА 104

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение.

     На  протяжении тысячелетий в оценке объективного состояния больного существенное значение придавали пальпации периферического пульса, что являлось предметом постоянного совершенствования. Понятие «пульс» (сфигмос) было введено в медицину Гиппократом, который описал главные разновидности формы пульсовой волны.

     Решающую  роль для разработки учения о пульсе сыграло изобретение сфигмографа (1855). Первоначально сфигмограф был  приспособлен для записи только лучевого пульса, но вскоре появились новые  модели аппарата, позволяющие регистрировать пульсаторные колебания и на других участках артериального русла.

     Сравнительный анализ формы пульсовой волны, записанной механически и с помощью электросфигмографов, показал, что полученные результаты в основном совпадают.

     С введением в практику исследования внутрисердечной гемодинамики кровавых методов сфигмография, казалось бы, должна была отойти на второй план. Однако этого не произошло. Вскоре оказалось, что оба указанных метода в этом отношении не конкурируют, а взаимно дополняют друг друга. При изучении внутрисердечной гемодинамики сфигмография по точности не уступает кровавым методам исследования, но обладает перед последними известными преимуществами как способ, более удобный для применения у постели больного и не сопряжен с риском.

     Введение  в клинику новейших инструментальных методов исследования сердечно-сосудистой системы на основе радиоэлектронной техники значительно расширило диагностические возможности сфигмографии, которая в комплексе с другими графическими методами исследования гемодинамики вооружила врача при решении сложных вопросов современной кардиологии.

     Однако, по данным исследования, проведенного в 1987г. в 113 кабинетах функциональной диагностики (КФД) 18 областных, 43 городских  и 29 центральных больниц УССР, оказалось, что находящегося в эксплуатации количества сфигмографов недостаточно. Сфигмографическими приставками располагали КФД 59.1% областных, 18.2% городских и только 6.3% центральных районных больниц. А применялась сфигмография в КФД 27.2% областных, 8.5% городских и в 6.3% районных больниц.

     Недостаточное количество сфигмографических приставок в больницах и поликлиниках объясняется, с одной стороны, отсутствием общепризнанной методики поведения диагностических исследований, а, с другой стороны, несовершенностью аппаратуры регистрации пульсовой волны.

     Целью настоящего дипломного проекта является выбор методики анализа регистрируемых сфигмограмм и разработка устройства сфигмометрии. Проектируемое устройство отличается от аналогов типом датчика. Применен частотный преобразователь давления на основе кварцевого резонатора с модулированной шириной межэлектродного зазора. Также устройство обладает нечувствительностью к медленным (<0.5Гц) мышечным сокращениям во время регистрации пульса и отсутствием ухода изолинии от нулевого уровня.

     Дипломный проект включает в себя пять основных частей: первая часть посвящена обзору существующих устройств сфигмометрии, методам анализа сфигмограмм, выбору направления проектирования; во второй части приведено обоснование структурной схемы устройства сфигмометрии, выбран тип датчика, выполнены расчеты функциональной схемы электрического канала получения информации и принципиальных схем отдельных функциональных узлов; в третьей части проекта описаны некоторые конструкторско-технологические мероприятия по реализации электрического канала устройства сфигмометрии, а также по настройке и регулировке прибора; в четвертой части приведены упрощенные экономические расчеты, показывающие перспективность выпуска на рынок таких аппаратов; в пятой части приведены результаты исследования систем фазовой автоподстройки частоты.

1. Обзор существующих  устройств сфигмометрии 

1.1.Особенности  диагностики состояния  организма 

по  сфигмограммам

     Форма сфигмограммы отражает колебания стенок артерий во время сердечного цикла  в связи с притоком крови в  артериальную систему, а также с ее оттоком.

       При этом в артериальной системе  меняются скорость тока, объем  и давление крови, вызывающие  изменения напряжения артериальной  стенки и волновых процессов.

     Форма сфигмограмм артерий, находящихся  на разном расстоянии от сердца, неодинакова. Поэтому различают сфигмограммы центральных артерий (аорты, сонной, височной и подключичной артерий) и периферических (бедренной, лучевой, тыльной артерии стопы и др.). Из сфигмограмм центральных артерий чаще всего записывают сфигмограмму сонной артерии.

     Сфигмограмма  центрального пульса представляет собой  волнообразную кривую, состоящую  из систолической и диастолической частей (рис. 1.1) [1, 2, 3, 4]. Кривая начинается резким анакротическим подъемом (a—b), обусловленным резким повышением давления в аорте в момент фазы быстрого изгнания крови из левого желудочка. Иногда перед началом анакроты регистрируется так называемое преданакротическое колебание различной амплитуды и продолжительности, происхождение которого связывают с выпячиванием полулунных клапанов в просвет аорты во время изометрического сокращения левого желудочка и с передачей их колебательных движений на близлежащие крупные артерии. Систолическая волна, достигнув вершины b, закругляется и плавно опускается (катакрота), а затем круто снижается, образуя инцизуру i. Катакрота вместе с вершиной волны отражает фазу медленного изгнания крови из левого желудочка. На катакроте выделяется точка с перегиба кривой, свидетельствующая об окончании систолы, а самая низкая точка— инцизуры i отражает момент полного закрытия клапанов аорты. Время от окончания систолы до закрытия полулунных клапанов (c—i) отражает длительность протодиастолы. Она соответствует периоду от начала расслабления желудочков до закрытия полулунных клапанов аорты. Диастолическая часть сфигмограммы представлена небольшой волной d, которая называется дикротической и отражает колебательные движения стенок артерий и давления в них. Подъем дикротической волны с переходом в спуск до исходного уровня показывает, что повышенное давление крови в начале диастолы в артериях постепенно уменьшается в результате оттока крови на периферию. 

Рис. 1.1. Структура нормальной сфигмограммы

центрального  пульса. 

     При качественно снятой сфигмограмме центрального пульса начало анакроты четкое, а инцизура расположена выше нулевой линии. Сфигмограмма периферических артерий отличается от центральной более закругленными очертаниями кривой и менее четко представленными ее элементами. Преданакротическая волна и четкая инцизура часто отсутствуют. Подъем основной волны плавно переходит в вершину, от которой начинается пологий спуск, переходящий в вогнутое колено, после чего следует дикротическая волна.

     Поскольку сфигмограммы центральных и периферических артерий различаются по форме  и происхождению отдельных компонентов, то должен быть различным и анализ формы пульсовой волны этих двух типов артерий.

     Одним из наиболее эффективных методов  контурного анализа сфигмограмм  центральных артерий является метод, разработанный А.Д. Валтнерисом (1968) [2]. Сущность его заключается в следующем (рис. 1.2). Определяются длительность анакроты (a—b) в секундах и высота систолической части кривой на уровне вершины (точка b) основной волны (h₁), а в случае плохой выраженности или отсутствия этой точки— на 0,08с от начала анакроты, потом через 0,05с (h₂) и 0,1с (h₃) от первой точки измерения (h₁). Соотношение h₁:h₂:h₃ дает объективную характеристику формы систолической части кривой. Определяются также высота инцизуры (h_i) и амплитуда дикротической волны (h_d) по низшей точке инцизуры. Проведенная через эту точку линия служит основанием для определения амплитуды дикротической волны. Высота в указанных точках измерения выражается в процентах от максимальной высоты сфигмограммы. 

Рис. 1.2. Схема анализа формы сфигмограммы центральных

артерий по методу А.Д. Валтнериса. 

     Из  методов анализа формы сфигмограмм  периферических артерий наиболее эффективным  является метод, разработанный В.А. Зарубиным (1958) [2]. Этот метод (рис. 1.3) основан  на определении длительности следующих интервалов:

1. от начала анакроты до вершины основной волны АБ;
2. от вершины основной волны до начала дикротической волны БВ;
3. от начала дикротической волны до ее вершины ВГ;
4. от вершины дикротической волны до начала следующей анакроты ГД;
5. от начала анакроты до начала дикротической волны АВ;
6. от начала дикротической волны до начала следующей анакроты ВА.

Кроме того, определяется высота кривой:

1. на уровне вершины сфигмограммы h_Б;
2. на уровне начала дикротической волны h_В;
3. на уровне вершины дикротической волны h_Г.

Рис. 1.3. Схема анализа формы сфигмограмм  периферических

артерий по методу В.А. Зарубина.

     Из  проведенного обзора видно, что анализ сфигмограмм осуществляется либо на основе вычисления соотношения уровня сигнала в точках, отложенных на кривой пульса через определенные промежутки времени от начала ее подъема, или на основе вычисления соотношений уровня сигнала в характерных точках сфигмограммы и вычисления определенных интервалов на оси времени. Для объективного анализа сфигмограммы и постановки правильного диагноза необходима качественная регистрация пульсовой кривой с отсутствием на ней артефактов, а также искажений, вносимых измерительным каналом.

1.2. Структуры сфигмометрических  каналов

     Все сфигмографы принято делить на три группы: 1) пружинно-рычаговые, 2) оптические и 3) электросфигмографы [2].

     Сфигмографы первых двух групп можно назвать  механосфигмографами в отличие  от электросфигмографов, так как  в них восприятие, передача и регистрация  пульсовых колебаний осуществляется механическим путем. Разница между ними заключается только в том, что в сфигмографах первой группы запись ведется посредством системы рычажков на закопченной полоске бумаги, а в сфигмографах второй группы передача колебаний стенок артерий осуществляется воздушным путем с последующей оптической регистрацией.

     Наибольший  интерес представляют электросфигмографы.

     В электросфигмографах механические колебания стенок артерий преобразуются  в электрические сигналы, которые  в дальнейшем усиливаются и записываются. Электросфигмограф состоит из трех основных частей: преобразователя, или датчика, усилителя и регистрирующего устройства (рис. 1.4, а).

     В качестве усилителя и регистрирующего  устройства часто используется электрокардиограф, к которому подключается соответствующий датчик (рис. 1.4, б) или сфигмографическая приставка, состоящая из преобразователя (датчика) и усилителя (рис. 1.4, в).

Рис. 1.4. Схемы электросфигмографов. 
 

1.3.Особенности  применяемых датчиков-преобразователей 

1. Требования, предъявляемые к  датчикам-пребразователям,

предназначенным для регистрации  сфигмограмм

     Датчиком  пульса называется отдельный конструктивный и схемный элемент современных  диагностических приборов, в котором  совмещаются функции восприятия и передачи пульсаций сосудов с функцией преобразования энергии исследуемого сигнала в форму, удобную для данного регистрирующего, преобразующего или автоматического устройства. Иными словами, под датчиком пульса понимают устройство, воспринимающее и преобразующее механическую энергию пульсового толчка в электрический сигнал (напряжение, ток).

     Для получения неискаженной по форме  и амплитуде пульсовой кривой сфигмограф должен обеспечивать воспроизведение  всех содержащихся в сфигмограмме частотных  составляющих без ощутимых искажений. Поэтому для разработки высококачественных сфигмографов необходимо знать частотный спектр сфигмограммы, с одной стороны, и частотные характеристики приемников и датчиков пульса, с другой стороны. Указанные характеристики необходимы и для выбора регистрирующего устройства прибора.

     Для выяснения частотного спектра сфигмограмм  весьма плодотворным оказалось использование  гармонического анализа Фурье [3]. Из теории колебаний известно, что любая  периодически повторяющаяся кривая сложного вида может быть представлена рядом Фурье с серией гармонических составляющих, кратных основной частоте, и рядом соответствующих фазовых углов.

     В таблице 1.1 и на рис.1.5 приведен экспериментально-математический анализ сфигмограммы, снятой с лучевой  артерии здорового человека, произведенный В.И. Полищуком и Л.Г. Тереховой (1968).

     Из  приведенного анализа видно, что  для сфигмограммы лучевой артерии  амплитуда 23-й гармоники имела 2,1% от полной амплитуды, причем первые 8 гармоник составляют 90% зарегистрированной кривой. Таким образом, можно считать, что частотный спектр сфигмограммы лежит в пределах от 0,5 до 25Гц. А для неискаженной регистрации пульсовых кривых необходимо применять воспроизводящий прибор с собственной частотой, в 3—4 раза превышающей верхнюю граничную частоту сфигмограммы.

Рис. 1.5. Частотный спектр проанализированной сфигмограммы

лучевой артерии.

     Таблица 1.1

Амплитуды проанализированных гармоник сфигмограммы лучевой артерии

1.3.2. Виды преобразователей для устройств сфигмометрии

     Все преобразователи, применяемые в  электросфигмографах, принято делить на две группы: 1) генераторные, или  энергетические, и 2) параметрические. В генераторных преобразователях (пьезоэлектрических и индукционных) под влиянием механических воздействий возникает ЭДС. В параметрических преобразователях под влиянием механических воздействий происходит изменение какого-либо одного из электрических параметров: емкости, индуктивности или активного (омического) сопротивления Из генераторных преобразователей самое широкое распространение получили пьезоэлектрические, а из параметрических— емкостные датчики. 

1.3.3. Пьезоэлектрический  датчик для сфигмографии  по

  авторскому свидетельству   СССР №1395285, кл. А 61 В 5/02

     Интересную  конструкцию пьезоэлектрического  датчика пульсовой волны предложила А.М. Романовская [10]. Целью изобретения  является повышение помехозащищенности устройства. На рис. 1.6 схематически изображено предлагаемое устройство. Оно содержит пьезочувствительный элемент 1, закрепленный своими краями в корпусе 2. Пьезочувствительный элемент 1 снабжен токосъемной обкладкой 3 и противолежащей ей токосъемной обкладкой, разделенной на две равные и симметричные половины 4 и 5, к которым подсоединены электрические выводы 6 и 7. Вдоль линии раздела токосъемной обкладки пьезочувствительный элемент 1 дополнительно механически соединен с корпусом 2. Симметрично относительно линии раздела токосъемной обкладки и по одну сторону пьезочувствительного элемента расположены два пелота 8 и 9, механически соединенные с пьезочувствительным элементом 1.

Рис. 1.6. Датчик пульсовой волны по авторскому

свидетельству СССР №1395285, кл. А 61 В 5/02. 

     Устройство  используют следующим образом. Датчик устанавливают в место измерения пульсовой волны так, что оба пелота расположены вдоль распространения волны. При прохождении пульсовой волны вдоль линии, соединяющей пелоты, происходит их поочередное смещение и на выходе устройства между электрическими выводами возникает разностный электрический сигнал, пропорциональный разности перемещений пелотов. При воздействии помех на оба пелота одновременно, например, мышечные сокращения или действие компрессионной манжеты, на выходе отсутствует электрический сигнал. Таким образом, предлагаемое устройство нечувствительно к разного рода помехам, одновременно воздействующим на оба пелота.

     Аналогичные пьезодатчики с двумя пелотами описаны  и в [11, 12]. 
 

4. Емкостной датчик для гемодинамических исследований

     Данный  датчик разработан ленинградским объединением «Биофизприбор» и используется в аппаратах ГОЭ-01 и ГОЭ-02 [5]. Датчик (рис. 1.7) представляет собой конденсатор переменной емкости, в корпус 1 которого помещен неподвижный электрод 2 площадью приблизительно 1.5см². Вторым электродом служит мембрана 3 из бронзовой фольги толщиной 30—50мкм, туго натянутая на кольцевом ноже на расстоянии 20—30мкм от неподвижного электрода. Емкость конденсатора 50—60пФ. Прогиб мембраны при работе не превышает 0.8—1.0мкм. Мембрана устойчива к механическим перегрузкам и допускает без повреждения приложение односторонних давлений в 100 и более раз превышающих измерительные. В корпусе конденсатор датчика размещается таким образом, что мембрана делит его на две изолированные полости. Каждая из полостей имеет выходные штуцера для пневматической связи с приемниками, накладываемыми на тело пациента, и с элементами пневматического тракта. Регистрация тех или иных гемодинамических явлений (артериального и венного пульса, баллистокардиограмм, артериального и венозного давления, плетизмограмм, артериофонограмм) с помощью вышеописанного датчика определяется выбором соответствующего приемника, местом его установки на пациенте, а также особенностью пневматической связи приемника с датчиком. В случае снятия сфигмограмм и флебограмм в качестве приемника используется воронка.

     Таким образом, из проведенного в пунктах 1.3.1¸1.3.4 обзора следует, что спектр сфигмограммы лежит в пределах от 0.5 до 25¼30Гц, а датчик для регистрации пульса должен иметь равномерную АЧХ до 80¼100Гц, и наиболее распространенными являются пьезоэлектрические и емкостные датчики пульса.

Рис. 1.7. Емкостной датчик с приемником и  схемой подключения.

а—  нерабочее положение крана заполнения пневмосистемы; б— наполнение; в— рабочее  положение. 

4. Особенности схем обработки сигналов

1.4.1. Транзисторный прибор  для емкостной  регистрации

  сфигмограмм

     Одной из аналогичных конструкций сфигмографов является транзисторный прибор для  емкостной регистрации сфигмограмм, разработанный Высшим медицинским институтом им. И.П. Павлова (Пловдив, Болгария) [6]. В данном аппарате используется частотная модуляция сигнала. Транзисторная конструкция делает его небольшим по размерам и весу, экономичным и удобным для работы с любым регистрирующим аппаратом для физиологических исследований (электрокардиографом, электроэнцефалографом и т. п.). На него не оказывают влияния другие электронные приборы— реографы, регистрирующие аппараты и др., и сам он не мешает их работе. Прибор дает возможность исследовать пульсовые циклы данного органа или артерии посредством конденсаторного датчика. Последний образуется электродом А, электрически связанным с поверхностью исследуемой ткани и электродом Б, находящимся на некотором расстоянии d от нее (рис. 1.8). Емкость этого конденсатора определяется формулой: