Помехи при измерении артериального давления

Во время измерения АД на датчик, кроме воздействия, характеризующего ТК, оказывают влияние следующие «мешающие» факторы:

• 1. Синфазные помехи. Эти помехи возникают при флуктуациях давления в манжете, связанных с движением руки. Сигнал этих помех совпадает по направлению и фазе с сигналом ТК.
• 2. Вибрационные помехи. Эти помехи обычно возникают при ходьбе. Их особенностью является то, что они приходят в любую точку датчика в одном направлении.

Как показали исследования, на датчик, расположенный под манжетой, акустический сигнал ТК приходит как от ткани предплечья, так и со стороны манжеты (рис. 6.49).

Рис. 6.49. Схема воздействий на датчик:

Р_тк — ТК; Р_т — синфазных помех; Р_вп — вибрационных помех

Экспериментально установлено, что уровень воздействия ТК, действующих на заднюю сторону датчика (т. е. со стороны манжеты), равен в среднем 0,4 от воздействия на переднюю крышку (т. е. со стороны руки) и направлены эти воздействия встречно. Характер воздействия синфазных помех на переднюю и заднюю стороны датчика такой же, как и ТК, только уровень сигнала примерно одинаков.

Вибрационные помехи, действующие на переднюю и заднюю стороны датчика, имеют одинаковое направление, уровень их также примерно одинаков.

Уровень вибрационных и синфазных помех может быть меньше или больше воздействия ТК. Для удобства рассмотрения будем считать, что все они примерно одинаковы и равны условной единице.

Разработано несколько конструкций датчиков, позволяющих уменьшить уровень помех.

В датчике для подавления синфазных помех предложено использовать два одинаковых биморфных элемента, пьезоэлементы 4, 5 которых закрепляют на двух крышках 2, 3 разнополярными электродами (рис. 6.50).

Рис. 6.50. Подавление синфазных помех:

а — конструкция датчика; б — схема соединения пьезоэлементов:

1 — корпус; 2,3 — крышки; 4,5 — пьезоэлементы; 6 — платы усилителя

Синфазные помехи наводят в пьезоэлементах заряды Q_m и Q_n2. Суммарный заряд и напряжение при равенстве ёмкостей пьезоэлементов равны нулю. Тоны Короткова наводят в пьезоэлементах заряды +Q_XK и -0,4Q_TK. Суммарное напряжение равно:

Таким образом, суммарный сигнал помехи независимо от его уровня всегда должен быть равен 0, т. е. происходит подавление синфазной помехи. Уровень сигнала ТК при этом снижается примерно втрое.

Однако практически из-за разброса параметров пьезоэлементов, технологических факторов, а также неравенства воздействия синфазных помех, действующих на датчик со стороны предплечья и со стороны манжеты, достичь на практике равенства нулю сигнала помехи не удаётся.

Для подавления сигнала вибропомех в датчике предложено использовать два одинаковых биморфных элемента, пьезоэлементы которых расположены на крышках однополярными электродами (рис. 6.51).

Рис. 6.51. Подавление вибрационных помех:

• 1 — корпус; 2,3 — крышки; 4,5 — пьезоэлементы;
• 6 — плата усилителя

Вибропомеха возникает в конкретный момент в одной точке и поэтому приходит к датчику и пьезоэлементам в одном направлении.

Вне зависимости от направления вибрации на пьезоэлементах возникает примерно одинаковое напряжение, но противоположной полярности, в результате полученный сигнал равен нулю.

Неравенство нулю этого суммарного сигнала на практике объясняется технологическим разбросом пьезоэлектрических характеристик и ёмкости пьезоэлементов (ГОСТ 13927-80), неодинаковым расположением биморфных элементов, технологическими факторами и др. Тоны Короткова создают на первом пьезоэлементе заряд +Q_TK1, на втором -0,4Q_TK1.

Результирующее напряжение тонов на двух пьезоэлементах при С₁ = = С₂ = С:

Датчик, изображённый на рисунке 6.52, позволяет подавлять как синфазные, так и вибрационные помехи. Он снабжён двумя дисковыми пьезоэлементами и двумя кольцевыми одинаковой толщины, причём площадь дисковых пьезоэлементов равняется площади кольцевых.

Рис. 6.52. Подавление синфазных и вибрационных помех:

• 1 — корпус; 2,3 — крышки; 4,5 — дисковые пьезоэлементы;
• 6,7 — кольцевые пьезоэлементы; 8 — плата усилителя

Рассмотрим, какие сигналы возникают в пьезоэлементах при указанных воздействиях. Полагая, что площади и толщины пьезоэлементов равны, а изготовлены они из одного материала, считаем, что ёмкости пьезоэлементов равны:

Заряд, возникающий на дисковом пьезоэлементе 4 на передней крышке (т. е. крышке, прилегающей к предплечью), обозначим Q (с учётом знака ±Q). Напряжение на этом пьезоэлементе U = Q / С.

Экспериментально установлено, что уровень сигнала на кольцевом пьезоэлементе при равенстве его площади с площадью дискового равен ~0,5 от уровня сигнала на дисковом пьезоэлементе. Тогда на кольцевом пьезоэлементе с этой же стороны заряд — 0,5Q.

В пьезоэлементе 5 со стороны манжеты наводится сигнал, равный примерно 0,4 от сигнала на пьезоэлементе 4. Тогда заряд на нём с учётом полярности пьезоэлемента равен (-0,4Q). На пьезоэлементе 7: 0,5 х х 0,4Q = +0,2Q.

Суммарный заряд на пьезоэлементах: а суммарное напряжение:

Таким образом, в данном датчике полезный сигнал уменьшается примерно в 10 раз. Учитывая, что практически не удаётся добиться равенства нулю сигналов синфазных и вибропомех, то отношение полезный сигнал/помеха для данного датчика улучшается примерно в 2—3 раза.

В датчике по патенту № 1826862 для повышения чувствительности использовано шарнирное закрепление мембраны 2 биморфного элемента (рис. 6.53). Для уменьшения уровня синфазных помех применён жёсткий центр 4, уменьшающий изгиб пьезоэлемента под действием помехи.

Рис. 6.53. ДТК:

1 — корпус; 2 — мембрана; 3 — пьезоэлемент; 4 — жёсткий центр; 5 — резиновое кольцо; 6 — плата усилителя

Датчики пульсовой волны

Между тем существует ещё одна реализация датчиков для электронных тонометров, позволяющая получить информацию о моменте наступления и прекращения ТК, и, следовательно, о систолическом и диастолическом давлении. Эта реализация основана на прохождении пульсовой волны по артерии, при этом информация о ТК оказывается распределённой во времени и в пространстве.

Датчик обладает высокой чувствительностью благодаря консольному закреплению пьезоэлементов. В датчике используются два пьезоэлемента, закреплённые на металлической крышке разнополярными электродами и соединённые параллельно, что позволяет практически полностью подавить как синфазные, так и вибрационные помехи. Датчик реагирует на движение пульсовой волны и практически не чувствителен к акустической составляющей сигнала (рис. 6.54).

Консоли выполнены в виде параллелограммов, длинные стороны которых расположены под углом 2а друг к другу.

Экспериментально установлено, что при определённом соотношении размеров консоли А/Б и угла 2а отношение сигнал/помеха достигает максимума (рис. 6.55).

Экспериментально установлено, что при оптимальных величинах А/Б и угла 2а отношение сигнал/помеха достигает в данной конструкции 15...20 дБ.

Рис. 6.54. Датчик пульсовой волны:

1 — мембрана; 2,3 — пьезоэлемент; 4 — отверстие в мембране

Рис. 6.55. Зависимость К от отношения А/Б (о) и зависимость К от угла 2а [б):

U_TK — напряжение ТК; L/_n — напряжение пульса

Вопросы и упражнения к главе 6

• 1. Каковы принципиальные отличия пьезоэлектрических датчиков от ёмкостных?
• 2. На основе каких физических явлений работают пьезоэлектрические преобразователи?
• 3. Чем отличается частотный диапазон пьезоэлектрического преобразователя?
• 4. Чем определяется чувствительность пьезоэлектрического преобразователя?
• 5. Каковы преимущества усилителя заряда по сравнению с усилителем напряжения?
• 6. Пусть пьезоэлектрический датчик вместе с кабелем имеет ёмкость 1 нФ. Предложите схему усилителя напряжения (не заряда), используя для этого только один неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 10. Усилитель должен работать без насыщения с зарядом порядка 1 мкК, который индуцируется при регистрации пульсовой волны на сонной артерии. Он не должен переходить в режим насыщения из-за токов смещения. Его частотная характеристика должна находиться в пределах от 0,05 до 100 Гц. Для выполнения этих требований используйте минимальное число дополнительных элементов.
• 7. Рассчитайте усилитель заряда для пьезоэлектрического датчика, имеющего ёмкость 500 пФ. Усилитель должен работать на частотах от 0,05 до 100 Гц, чтобы можно было регистрировать пульс сонной артерии. Он не должен выходить на насыщение.