Исследование и разработка термоэлектрических преобразователей для инвазивного измерения скорости кровотока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Скорохватов, Анатолий Семенович

  • Скорохватов, Анатолий Семенович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 1984, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.11.17
  • Количество страниц 210
Скорохватов, Анатолий Семенович. Исследование и разработка термоэлектрических преобразователей для инвазивного измерения скорости кровотока: дис. кандидат технических наук: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения. Москва. 1984. 210 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скорохватов, Анатолий Семенович

ГЛАВА I. Физические непрямые методы количественной оценки скорости кровотока, их краткий анализ. Задачи исследования

§1.1. Характеристика соответствия современным медико-техническим требованиям методов и средств оценки параметров кровотока.

§ 1.2. Феноменологическая оценка предельных возможностей применяемых тепловых преобразователей скорости кровотока. Предпосылки использования полупроводниковых термоэлектрических преобразователей.

§ 1.3. Некоторые особенности теплофизики полупроводниковых термоэлектрических преобразователей информации о массопотоке. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА П. Исследование термоэлектрического измерительного преобразователя скорости кровотока и обоснование его основных параметров. Метод расчета преобразователя.

§ 2.1. Стационарное двухмерное температурное поле в преобразователе. Критерий применимости одномерных моделей.

§ 2.2. Нестационарный перенос тепла в термоэлектрическом преобразователе информации при.его взаимодействии с пульсирующим кровотоком.

§ 2.3. Нестационарный перенос тепла в термоэлектрическом преобразователе информации при его взаимодействии с гармоническим кровотоком.

ГЛАВА Ш. Анализ динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИ11СК.

§ 3.1. Передаточная функция и структурная схема ТЭИПСК

§ 3.2. Переходная функция ТЭИПСК.

§ 3.3. Оценка погрешностей измерений ТЭИПСК.

ГЛАВА 1У. Экспериментальные исследования тепловых процессов работы ТЭИПСК и оценка ряда его параметров, характерных для преобразователей информации.

§ 4.1. Методы и средства экспериментальных исследований процессов теплопередачи в ТЭИПСК.

§ 4.2. Проверка расчетных данных стационарного и нестационарного теплопереноса в ТЭИПСК.

§ 4.3. Методы и средства экспериментальных исследований динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИПСК.

§ 4.4. Экспериментальная проверка.динамических свойств и погрешностей измерений ТЭИПСК.

ГЛАВА У. Применение термоэлектрических измерительных преобразователей скорости кровотока в медицине.

§ 5.1. Измерения, осуществляемые с помощью катетерных датчиков скорости кровотока.и.других устройств на основе ТЭИПСК.

§ 5.2. Метод символьного отображения процессов гемодинамики.

§ 5.3. Исследование работы.искусственного желудочка и протезов клапанов сердца.

§ 5.4. Исследование уродинамики верхних мочеточников с помощью комплексного катетерного датчика.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», 05.11.17 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка термоэлектрических преобразователей для инвазивного измерения скорости кровотока»

В современной экспериментальной и клинической медицине для более точных измерений линейной и объемной скоростей кровотока и ударного и минутного объемов кровообращения применяются инвазив-ные методы, основанные на применении катетерных датчиков. Измерение этих параметров с повышенной точностью является весьма важным для уточнения диагноза ряда заболеваний сердца, интраоперационной оценки эффективности выполненной хирургической коррекции пороков сердца [I], для оценки степени регургитации крови через его митральный и аортальный клапаны ,[2] обнаружения атоматозных поражений сосудов

Для реализации катетерных методов в нашей стране с 1981 года освоен в производстве электромагнитный катетерный датчик [4j, которым комплектуется расходомер крови "РКЭ-З". Объем выпуска этого расходомера за I98I-I983 годы составил около 380 штук.

За рубежом катетерные методы оценки параметров гемодинамики применяются весьма широко. Так, только катетерных датчиков для измерения методом терморазведения минутного объема кровообращения было продано в 1981 году на мировом рынке около 400 тыс. штук на сумму более 40 млн.долларов Цб]. На производстве катетерных датчиков для измерения параметров кровотока за рубежом специализируются целые фирмы или их отделения. Наиболее передовой является фирма "Миллар Инструменте" США, которая в последние годы стала также выпускать комплексные катетерные датчики, например, для синхронного измерения давления крови и скорости кровотока [б].

Несмотря на высокую стоимость (от 2 до 10 тыс. долларов), эти датчики быстро завоевывают признание врачей-кардиологов, так как обеспечивают получение взаимно коррелированной и, соответст-вено, более достоверной информации [7].

В настоящей работе показана перспективность использования полупроводниковых термоэлектрических материалов для изготовления катетерных датчиков скорости кровотока [8], позволяющих осуществлять количественную оценку кровотока простыми тепловыми методами.

На основе литературного обзора катетерных методов исследования кровотока и оценки предельных возможностей известных тепловых преобразователей выбрана схема датчика скорости кровотока.

Разработана теоретическая модель адекватная изучаемым физическим процессам, установлены количественные соотношения между пространственно-временными характеристиками тепловых полей, возникающих в датчике, и его физико-техническими и метрологическими параметрами.

Произведена экспериментальная проверка расчетных данных, дана оценка преобразователей по характерным критериям, приведены методики экспериментов.

На основе разработанных измерительных термоэлектрических преобразователей скорости кровотока созданы катетерные датчики, и другие устройства для медико-биологических экспериментов и клиниче ской практики.

Данная работа направлена на выполнение задания 01.II программы работ на I98I-I985 годы по решению общесоюзной научно-технической проблемы (0.18.05 - медицинское приборостроение), утвержденной постановлением Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 12.12.80 г. }Ь 472/248, что также указывает на ее актуальность.

На защиту выносятся:

1. Целесообразность применения поликристаллических полупроводников типа теллуридов висмута, имеющих анизотропные тепловые свойства, в качестве материала для создания тепловых катетерных измерительных преобразователей скорости кровотока.

2. Математическая модель, с помощью которой изучены зависимости между пространственно-временными характеристиками тепловых полей преобразователя и его физико-техническими и метрологическими параметрами.

3. Предложенная и реализованная конструкция катетерного термоэлектрического преобразователя, отвечающего медико-техническим требованиям, и обеспечивающего измерение с повышенной точностно скорости кровотока, а также расхода крови, ударного и минутного объемов кровообращения.

Похожие диссертационные работы по специальности «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», 05.11.17 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Скорохватов, Анатолий Семенович

ВЫВОДЫ

1. Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности использования поликристаллических полупроводниковых термоэлектрических материалов с анизотропными тепловыми свойствами для изготовления катетерных термоэлектрических преобразователей скорости кровотока и определен тип материала - теллуриды висмута, свинца и других металлов.

2. Разработана методика исследования указанных преобразователей, учитывающая особенности условий его работы, неадиабатичн ность процессов теплопереноса и анизотропию теплопроводности материала, основанная на раздельном описании по соответствующим одномерным моделям переноса тепла в преобразователе при его взаимодействии со стационарным, импульсным и гармоническим тепловым воа-действием среды. Установлены критерии применимости одномерных моделей.

3. Обоснованы и определены аналитические зависимости динамических свойств и габаритов преобразователя и нагревателя, его энергетических характеристик от тепловых процессов взаимодействия преобразователя со средой.

4. Определена структура преобразователя и исследованы его динамические свойства и погрешности измерений. На основании этих исследований оптимизирована структура преобразователя, разработаны методы коррекции нелинейности выходной характеристики, компенсации систематической и динамической погрешностей.

5. Разработаны, в значительной мере адекватно отражающие условия работы преобразователя, методики и стенды для экспериментального изучения процессов теплообмена и теплопередачи в преобразователе, исследования его динамических свойств и погрешностей измерений.

6. Разработан метод расчета ТЭИПСК,

7. Реализована конструкция миниатюрного катетерного термоэлектрического измерительного преобразователя скорости кровотока, и на основе этого преобразователя созданы соответствующие датчики, обеспечивающие измерение скорости кровотока в диапазоне 10-100 см/с с погрешностью измерений менее 7 % в кровеносных сосудах диаметром от 4 мм и более, а также измерение расхода крови в диапазоне 15 мл/с 4- 2 л/мин с погрешностью измерений менее 6 % в кровеносных сосудах диаметром до 1,5 мм.

8. По результатам выполненой работы разработана соответствующая часть медико-технических требований на приборный комплекс с комплексным катетерным датчиком для инвазивного измерения скорости кровотока и давления крови в сердце и крупных сосудах (работа направлена на выполнение задания важнейшей научно-технической программы 0.18.05 на I98I-I985 годы).

9. Разработан метод диаграммного отображения процессов гемодинамики, основанный на использовании комплексного катетерного датчика и позволяющий оценивать эффективность выполненной хирургической коррекции пороков сердца, состояние миокарда, насосную функцию сердца.

10. Кроме основанного назначения - для применения в кардиологии и кардиохирургии, разработанные катетерные датчики и метод символьного отображения информации оказались также эффективными для исследования уродинамики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скорохватов, Анатолий Семенович, 1984 год

1. Зарецкий В.В., Константинов Б.А., Сандриков В.А., Черепенин J1.IL Дмитриев Н.П. Интраоперационная оценка гемодинамики у больныхс поражением аортальных клапанов. Кардиология, 1975, А©, с. I3I-I32.

2. Сандриков В.А., Князев М.Д., Стегайлов Р.А., Боровков А.И. Интраоперационная гемодинамика у больных с предынфарктной стенокардией и острым инфарктом миокарда. Кардиология, 1975, М, с. 63-67.

3. Blood Ploiroieter of the firm "Albury Instruments Ltd.". Hospital Equipment and Supplies, v.4, 1980, p. 9-11.

4. Экспонаты СССР на международной выставке "Здравоохранение-80" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1980. - 198 с.

5. Biomedical Business International Jornal, 1981, p. 17.

6. Millar Microtip Catheter Velocity Pressure Transducers /Millar Instruments Inc. - USA, 1979. -Юр.

7. Сандриков В.А. Интраоперационная оценка гемодинамики, сократительной функции миокарда и критерии адекватности коррекции приобретенных и врожденных пороков сердца. Дис. . докт. мед. наук. - М, 1980, - 320 с.

8. Скорохватов А.С., Симонов В.А. Измеритель скорости кровотока.- Новые методы получения электроэнергии, 1980, М, с.6 7.

9. Диагностическая и терапевтическая техника /Под общ. ред. В.С.Маята. М.: Медицина, 1969. - 520 с.

10. А.с. 410769 (СССР). Баллистокардиограф / А.Б. Венедиктов.- Опубл. в Б.И., 1974, 1&.

11. Изделия медицинской промышленности. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1980. 94 о.

12. Экспонаты СССР на международной выставке "Здравоохранение^" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1974. - 192 с.

13. Equipment "Dataspir" model EDV /ЮО-S/ Erich Jaeqer GmbH.- W. Germany, 1980. 6 p.

14. Ear Oximeter "Biox II A"/Biox Techology Inc. - Sweden, 1981.- 4 p.

15. Методы исследования кровообращения /Под общ. ред. Б.И. Тка-ченко. Л.: Наука, 1976. - 232 с.

16. Изделия промышленности средств связи. Каталог. М.: ЦОНТИ "ЭКОС", 1979.- 36 с.

17. Flowrograph mod. ECH/Hartman and Braun. prg, 1978. - б p.

18. A.c. I8I240 (СССР). Фотоплетизмограй / В.С.Мошкевич, О.Г.Герасименко. Опубл. в Б.И., 1966, Ш.

19. Pie thy smo graph "Periquant 3000"/LPM U. G. Gutmann. - Sv/eden, 1980. - 6 p.

20. Экспонаты СССР на международной выставке "Кардиология-82" в СССР. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1982. - 48 с.

21. Reoplethysmograph "1С1\Г 41"/ГШюп Kahden. - Japan, 1980.- 4 p.22. 8 canal poligraph "EM-86"/Nihon Kohden. - Japan, 1981. - 6p,

22. Gamma camera "Gamma 1oo"/Siemens. - W.Germany, 1981.-12 p.

23. Электронная промышленность. Научно-технический сборник, 1982,с. 64-65.

24. Ultrasound Sistem. МК 500A/Advanced Technology Laboratories Ins Ins. USA, 1982. - 2 p.

25. Nilsson G.E., Tenland Т., Oberg P.A. A New Instruments for Continuous Measurement of Tissue Blood Plow by Light Beating Spectroscopy.- Biomedical Engineering , 1980, Щ, p. 12.

26. Арефьев И.М., Еськов А.П. Метод спектроскопии оптического смешения в диагностике микроциркуляций крови. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 1981, .£, с. 244-246.

27. Nuclear Magnetic Resonanse Tomograph "BHT-1000»/3ruker Medi-zintechnick GmbH. W. Germany , 1982. - б p.

28. Вышатина A.M., Геращенко O.A. О возможности количественной оценки изменений тканевого кровотока термоэлектрическим методом. В кн.: Физиология сердечного выброса. Киев, Наукова думка, 1968, с. 67-74.

29. Darlyene В.В. Hon-Invasive Measurement of Blood Oxygen Levels.- American Journal of Medical Technology, v.48, 1982. I>T5, p. 355-359.

30. Тищенко М.И. и др. Характеристика и клиническое применение интегральной реографии нового метода измерения ударного объема. - Кардиология, 1973, Ml, с. 54-62.

31. I Советско-Американский симпозиум по медицинской технике (Москва, 24-26 сент. 1981 г.): Докл. Мухарлямов Н.М. и др. Современные методы и аппаратура для комплексных исследований кровообращения. М.: ВНИШМТ, 1981. - 16 с.

32. A ITew Instruments for Measurement of Blood Plow "Benuamin II" /Labomed GmbH. --W. Germany, 1981. 10 p.

33. Микроскопы биологические и люминесцентные. Каталог. М.: Внешторгиздат, 1976. - 18 с.

34. Hicroskope "Vickers M17"/Joyce Loebl.- England, 1981. 12 p.

35. Gamma-camera "Dina M0"/Picker International. USA, 1981.- 10 p.

36. Flowvograph mod. 4212/Hartman and Braun. V/. Germany, 1980.

37. Oximeter "LAB-405806"/Labomed Gmbh. W.Germany, 1980. - 6 p.

38. A.c. 204492 (СССР). Прибор для полярографического определения напряжения кислорода в тканях тела / В.А.Березовский. Опубл. в Б.И., 1967, )!£2.

39. Polarograph "R0-4"/Guld Godart. Denmark, 1981. - 6 p.

40. Cardiomonitor "Layfscoup -8V/Nihon Kohden. -Japan, 1982.87P

41. Электронная промышленность, 1976, вып. 4, с. 12-13.

42. Экспонаты международной специализированной выставки "Ультразвук- 81" в СССР. Каталог. Вильнюс, ВДНХ Литовской ССР, 1981, с. 26-27.

43. А.с. 200III (СССР). Электромагнитный измеритель кровотока

44. А.Д.Хазан, Д.Г.Попов, Р.П.Черяпкина. Опубл. в Б.И., 1967, Мб.

45. А.с. 528853 (США). Электромагнитный измеритель скорости кровотока / Г.Д.Долл, Г.Дж.Бронер. Опубл. в Б.И., 1976, Г34.

46. Тищенко Ф.М. Оценка погрешности аналоговой регистрации кривых разведения и клиренса радионуклидов. Медицинская техника, 1982, И, с. 13-16.

47. Тищенко Ф.М., Соломка В.А. Оценка погрешности дискретного представления кривых клиренса разведения индикатора. Медицинская техника, 1983, Ж, с. 35-38.

48. Termodilution Cardiac Output Computer mod. KM 274/Lexington. - Belgium, 1980. - 10 p.49. 2 canal Electromagnetic Measuring instrument of Blood Plow' mod. МР-27/Nilion Konden. - Japan, 1980. - 12 p.

49. Hot-film anemometer velosity measurements of arterial blood fiow in horses. Circulation., Res. 34, 1979, 2T9, p. 193-203.

50. Children. Circulation, v. 44, 1971, 111, p. 910-913.

51. Лукьянов E.K. и др. Классификация датчиков диагностическиприборов. В сб.: Медицинское приборостроение, 1977, Ш, с. 6-10.

52. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения /Под ред. Р.И.Утямышева, М.: Радио и связь, 1981. - 344 е., ил.

53. Азизов A.M. Методические погрешности исследования случайных корреляционных процессов. Измерительная техника, 1969, Ш, с. 11-14.

54. Medical Electronics Eguipment Hews, v.20, 1980, Нб, p. 1-10.

55. Hitzan M., Weinreb A., Applebaum A., Teoretical Validation of the Thermal Dilution Method for Cardiac Output Determination. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, v. BME-27, 1980, Ж10, p. 613-618.

56. Смирнов А.Д., Гусаров Г.В., Весельников B.I. Изучение гемодинамики методом термодиллюции. Кардиология, 1970, МО, с. I2I-I25.

57. Руцкий II.Н., Санько Ю.П., Шашков А.Г. Термисторный термоанемометр. Изв.АН БССР, сер. физ.-техн., 1965, JH, с. 18-20. ,

58. Corver J. A. W.LI. , Kuiken G.D. С. , P. van der Mark and T.C.Jansen. Response to pulsative flow of a miniaturised electromagnetic blood flow sensor studied by means of a laser-Dopplermethod. Lied. Biol. Eng. and Сотр., v. 21 , 1983, N7, p. 65-71.

59. Шайв Д.Н. Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 176 е., ил.

60. Волошин И.Д. и др. Полупроводниковые термосопротивления.- Минск: АН БССР, 1959. 126 е., ил.

61. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.: АН СССР, 1956. - 218 е., ил.

62. Шашков Ю.М. Металлургия полупроводников. М.: Металлургиз-издат, I960. - 280 е., ил.

63. Гольщан Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3 М.: Наука, 1972. - 320 е., ил.

64. Лидоренко Н.С. и др. Комплексная оптимизация термоэлектрических охлаждающих устройств. Холодильная техника, 1977, М, с. 28-31.

65. Самойлович А.Г., Коренблит Л.П. Термоэлектрические токи в анизотропной среде. ФТТ, 1961, J83, с. 2054-2057.

66. Левин В.И., Гроссберг Ю.И. Дифференциальные уравнения математической физики. М.: Гостехиздат, 1951, - 220.с.

67. Бонч-Бруевич В.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.: Наука, 1977. 380 е., ил.

68. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И.Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979. - 495 е., ил.

69. Араманович И.Г., Левин И.В. Уравнения математической физики.- М.: Наука, 1964. 286 е., ил.

70. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1977. - 831 е., ил.

71. Лыкое А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.- 600 с., ил.

72. Киреев П.С. и др. Боковой теплоотвод в термоэлектрических ветвях охлаждающих устройств. Изв. АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1975, М, с. 19-22.

73. Азизов A.M. Простейшие термоприемники в условиях произвольно меняющихся во времени температуры среды и коэффициента теплоотдачи. Теплофизика высоких температур, т.5, 1967, 1й'4,с. 655-662.

74. Дейр Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. М.: Физматгиз, 1958. - 84 с.

75. Пелепейченко Н.П., Симбирский Д.Ф. Теплопередача цилиндра при поперечном обтекании потоком с гармоническим изменением скорости. Теплоэнергетика, 1963, JI8, с. 62-66.

76. Котляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970.

77. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.- М.: Наука, 1964. 608 е., ил.

78. Основы автоматического управления / Под ред. В.С.Пугачева.- М.: Наука, 1974. 719 с.

79. Керного В.В., Бабушкин Ф.М., Чипинский Э.Е. Основы автоматики и теория автоматического регулирования. Минск.: Высшая школа, 1972. - 407 е., ил.

80. Ващенко-Захарченко М.Е. Символические исчисление и приложение его к интегрированию нелинейных дифференциальных уравнений. Киев.: Наукова думка, 1962. - 240 с.

81. Азизов А.Н., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. -Л.: Энергия, 1975. 154 е., ил.

82. Измерения в промышленности. Справочник. /Под ред. П.Профоса.- М.: Металлургия, 1980. 647 е., ил.

83. Азимов Р.К. Измерительные преобразователи с тепловыми распределенными параметрами. Библиотека по автоматике. Вып. 583.- М.: Энергия, 1977. 84 е., ил.

84. Kreyszig Е. Statische Methoden und ihre Anwendungen. Van-denhoech. Ruprecht, 1974, n.8, p. 13-18.

85. Белиловский M.A., Немеровский Л.И., Сивачев А.В. Исследования пневмотахографа с трубкой Пито. Медицинская техника, 1983, Я, с. 26-31.

86. Коротков П.А., Беляев Д.В., Азимов Р.К. Тепловые расходомеры.- Л.: Машиностроение, 1969. 246 е., ил.

87. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид И. Механика кровообращения.- М.: Мир, 1981. 232 е., ил.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.