Пьезоэлектрические преобразователи для измерения акустических сигналов кровотока

Датчики тонов Короткова (ДТК) используются при измерении артериального давления (АД) по методу Короткова.

Метод заключается в корреляции акустических сигналов-тонов Короткова, возникающих в тканях пациента при пережатии артерии манжетой, с соответствующим значением пневматического давления в этой манжете. Моменты появления и прекращения тонов Короткова (ТК) характеризуют верхнее (систолическое) и нижнее (диастолическое) артериальное давление соответственно. Метод имеет несколько технических реализаций. Простейшая реализация заключается в регистрации тонов с помощью механического фонендоскопа. Существенным недостатком этой реализации является невысокая чувствительность фонендоскопа, а также то, что спектр сигналов пульса и тонов лежит в низкочастотной области, в которой ухо человека имеет минимальную чувствительность.

На рисунке 6.20 показана типичная осциллограмма сигнала, полученного с помощью пьезоэлектрического датчика при измерении АД. Как видно из рисунка 6.20, сигналы пульса и ТК отличаются по форме, амплитуде, спектральному составу, динамическим характеристикам.

Сигналы пульса представляют собой почти синусоидальные импульсы с периодом ОД…0,15 с и частотой повторения примерно 1…2 Гц. В области систолического АД появление первого ТК приводит практически к удвоению частоты пульса (рис. 6.20 б).

Рис. 6.20. Осциллограммы сигнала датчика при измерении АД:

а — сигналы пульса; б — область систолического АД; в — область диастолического АД По результатам анализа значительного статистического материала принято считать, что спектру пульса соответствуют величины от 3 до 10 Гц, а спектру ТК — от 20 до 500 Гц. На основании этого, например, частотная характеристика серийно выпускаемого измерителя АД типа ИАД-1 имеет подъём на 12 дБ в диапазоне от 20 до 80 Гц и спад на 7 дБ в диапазоне от 80 до 500 Гц.

Из рисунка 6.20 следует также, что для повышения точности измерения АД необходимо производить амплитудную, частотную и динамическую (по скорости или ускорению нарастания сигнала) селекцию ТК.

Как показали исследования, при появлении ТК на датчик, расположенный под манжетой на предплечье пациента (а также датчик пульса, расположенный в других местах тела пациента), могут воздействовать:

• — акустический сигнал (ТК);
• — динамическое давление, вызываемое осцилляциями давления в манжете или сокращением сердца и мышц;
• — линейные или вибрационные ускорения.

Таким образом, датчики пульса и ТК могут представлять собой акустические преобразователи, преобразователи динамических давлений (усилий) и акселерометры.

Следует отметить, что обычно на любой датчик одновременно воздействует акустический сигнал, динамическое усилие и ускорение, причём, как показали эксперименты, вклад каждого из этих воздействий в общий сигнал приблизительно можно оценить как 90, 9 и 1% соответственно.

Следует также отметить, что согласно определению собственно ДТК следует называть только акустические преобразователи, однако в сложившейся практике в большинстве случаев ДТК называют любой из перечисленных преобразователей, используемых при измерениях АД по методу Короткова. Вместе с тем преобразователи, воспринимающие силовое воздействие, возникающее при прохождении пульсовой волны, часто называют датчиками пульсовой волны (ДПВ).

Рассмотрим далее ряд конструкций ДТК и пульсовой волны.

В американском патенте описан датчик ТК, содержащий корпус, крышку с центральным отверстием, пьезокерамический элемент, расположенный в корпусе параллельно крышке корпуса, и пелот, закреплённый в центре пьезокерамического элемента.

Описанный датчик отличается от предыдущего наличием мембраны 5 (рис. 6.21), предназначенной, как утверждают авторы, для подавления акустических помех, приходящих со стороны манжеты. Однако, как показали исследования, необходимость в такой мембране отсутствует. Более того, такая мембрана понижает чувствительность в 3…5 раз.

Рис. 6.21. Конструкция ДТК:

• 1 — корпус; 2 — крышка с центральным отверстием; 3,4 — пьезокерамический биморфный элемент; 5,7 — мембрана; 6 — пелот; 8 — кабель;
• 9 — плата предусилителя

Датчик, изображённый на рисунке 6.22, содержит корпус 1, пьезоэлемент 2, мембрану 3 и пелот 4. Для повышения чувствительности в этом датчике предложено высоту h полости 5 выбирать из соотношения 0,03D < h < 0,42D, где D — диаметр полости 6.

Как показал опыт серийного производства, указанный датчик обладал рядом недостатков, которые приводили к тому, что число рекламаций по измерителю АД достигал 10,7% при объёме производства на трёх предприятиях около 300 тысяч измерителей в год.

К таким недостаткам относятся:

• 1) сравнительно низкая чувствительность (в среднем 2,92 мВ/Па);
• 2) временная нестабильность чувствительности (до 50% за 6 месяцев хранения);
• 3) значительный разброс чувствительности от образца к образцу при серийном производстве;

• 4) зависимость чувствительности датчика от места установки на предплечье пациента;
• 5) низкая надёжность датчика вследствие малой механической прочности симметричного биморфного пьезоэлемента и малой электрической прочности при воздействие статического электричества;
• 6) чувствительность к синфазным и вибрационным помехам.

Рис. 6.22 Датчик пульса:

• 1 — корпус; 2 — пьезоэлемент; 3 — мембрана; 4 — пелот;
• 5,6 — внутренние полости

Для испытаний использовалась установка ПР5151, аттестованная ВНИИФТРИ, представляющая собой акустическую камеру, создающую звуковое давление до 120 дБ в диапазоне частот от 20 до 200 Гц (рабочий диапазон ДТК). Позднее этот диапазон был расширен.

Схема испытательного стенда показана на рисунке 6.23. Измерения параметров датчиков производились при звуковом давлении 10 Па в диапазоне частот от 20 до 200 Гц.

Электрическая схема датчика, приведённая на рисунке 6.24, представляет собой усилитель на бескорпусном полевом транзисторе КП201Е-1. Как показали измерения для 10 000 экземпляров датчиков, распределение коэффициента усиления усилителя из-за разброса параметров транзистора близко к нормальному закону. Среднее значение 5,3, минимальное и максимальное значения для данной выборки 2,7 и 7,6 соответственно.

Коэффициент преобразования К_пр = U_BUX / Р_зв измерялся при уровне звукового давления 10 Па и частоте 40 Гц. Среднее значение К_пр = = 3,7 мВ/Па (при требованиях технических условий от 3 до 15 мВ/Па), среднеквадратическое значение, а = 1,1 мВ/Па.

На рисунке 6.25 приведена зависимость относительного коэффициента преобразования К / К₀ (где К₀ — коэффициент преобразования до начала старения) от времени старения. Из рисунка 6.25 видно, что для отдельных исследованных образцов датчиков изменение коэффициента преобразования достигает 50%.

Рис. 6.24. Электрическая схема датчика ДТК-1.

Рис. 6.23. Стенд для испытаний ДТК:

• 1 — акустическая камера ПР5151; 2 — генератор ГЗ-109; 3 — микрофон; 4 — измеритель шума ИШВ-1; 5 — датчик ТК; 6 — источник питания;
• 7 — милливольтметр ВЗ-88

Рис. 6.25. Зависимость относительной чувствительности преобразователя от времени хранения 10 датчиков ДТК-1 М (случайная выборка)