Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 6:

Активные акустические сенсоры: тонометры, эхолоты, гидролокаторы

< Лекция 5 || Лекция 6: 12345 || Лекция 7 >
Аннотация: Описаны принципы работы современных тонометров, гидролокаторов и портативных эхолотов для любителей рыбалки. Объясняется, почему современные гидролокаторы работают с ультразвуковыми волнами разных диапазонов и используют многопучковые акустические антенны. Приведены многие примеры.

Цель лекции: ознакомить слушателей с устройством и принципами работы современных интеллектуальных акустических сенсоров, в частности, простых и электронных тонометров и эхолокаторов. Дать им базовые сведения о гидролокации. Объяснить разницу между автоматическими и полуавтоматическими тонометрами, между однопучковыми и многопучковыми, неадаптивными и адаптивными гидролокаторами. Привести показательные примеры активных интеллектуальных акустических сенсоров, показать их роль в современной жизни.

6.1. Тонометры

До сих пор мы рассматривали в основном пассивные акустические сенсоры, "пассивные" в том плане, что акустические сигналы к ним приходят "со стороны", а сенсоры их лишь воспринимают. Однако разработаны и широко используются также и активные акустические сенсоры. Из них мы рассмотрим в этой лекции тонометры, эхолоты и гидролокаторы.

Люди, больные на гипертензию или гипотензию (повышенное или пониженное артериальное давление крови, которые называют также гипертонией и гипотонией), знают, что такое тонометр. Артериальное давление – это один из очень важных показателей физиологического состояния сердечно-сосудистой системы человека. Давление крови в артериях изменяется в такт с работой сердца. Когда сердце сжимается и выталкивает кровь в артерии, давление в них кратковременно повышается и достигает своего пика, который называют систолическим или "верхним" давлением. В фазе максимального расслабления сердечных мышц давление крови в артериях наиболее низкое, – его называют диастолическим или "нижним" давлением.

Всемирная организация здравоохранения утвердила нормы, в соответствии с которыми нормальными (допустимыми) для взрослого человека считаются систолическое давление от 100 до 140 мм рт. ст. и диастолическое давление от 60 до 90 мм рт. ст. Повышенное артериальное давление ускоряет изнашивание, старение кровеносных сосудов, неоправданно увеличивает интенсивность работы сердца и нагрузку на него, повышает риск инсультов, инфарктов. Пониженное артериальное давление вызывает у человека апатию, вялость, снижение жизненного тонуса. Поэтому как с гипертензией, так и с гипотензией надо бороться с помощью здорового способа жизни, лекарств или средств народной медицины. Но для правильного лечения надо контролировать артериальное давление. Для этого и нужны тонометры – приборы для измерения артериального давления.

6.1.1. Ручные тонометры

В ХVІІІ–ХХ веках использовались ручные тонометры, современный вариант которых показан на рис. 6.1. Такой тонометр состоит из манжеты 1, резиновой груши 2, соединительных резиновых трубок 3, механического манометра 4, фонендоскопа 5 и вентиля 6 для выпускания воздуха.

Ручной тонометр

Рис. 6.1. Ручной тонометр

Перед измерением манжету 1 накладывают на плечо пациента так, чтобы ее резиновый мешочек охватил весь обвод руки, и застегивают. Наушники фонендоскопа 5 вставляют в ухо (врача, медсестры или самого пациента, если он измеряет давление сам себе), а слуховой элемент фонендоскопа (стетоскоп) вставляют под край манжеты у сгиба локтя над артерией. Закрывают клапан 6 и с помощью резиновой "груши" 2 через соединительную трубку 3 нагнетают в манжету воздух до тех пор, пока в наушниках фонендоскопа не исчезнет звук пульсации крови в артерии.

Дело в том, что через резиновый мешочек созданное в манжете давление передается на живые ткани под ней, в том числе и на артерию. Когда внешнее давление превышает давление крови внутри артерии, последняя перекрывается, и кровь уже не может проходить по ней дальше. Поэтому пульсация крови за манжетой и прекращается. Через соединительную трубку давление в манжете измеряется манометром 4. Тот, кто слушает звук в фонендоскопе (врач, медсестра или сам пациент), – начинает с помощью вентиля 6 понемногу уменьшать ("стравливать") давление в манжете со скоростью 1-5 мм рт. ст. за секунду. Когда давление в манжете сравнивается с систолическим, кровь в моменты систолы получает возможность снова проталкиваться по артерии. Благодаря этому за манжетой снова слышится звук пульсации крови. В момент возобновления пульсаций надо сразу же считать значение давления на манометре. Оно и является систолическим давлением. Продолжая стравливать давление и слушая звуки пульсации крови через фонендоскоп, надо теперь уловить момент, когда интенсивность этих звуков резко уменьшается. Давление, которое в этот момент показывает манометр, и принимают за диастолическое значение. Ведь интенсивность пульсаций резко уменьшается именно потому, что, как только внешнее давление на артерию становится меньше диастолического, кровь во всех фазах сердечного цикла проходит по артериям без напряжения, следствием чего и становится значительное ослабление звука пульсаций.

Таким образом, звук пульсации крови в артерии и является здесь тем первичным информационным сигналом, который позволяет измерять артериальное давление крови. Поэтому тонометры и относим мы к классу акустических сенсоров. Тонометры являются активными сенсорами потому, что они активно воздействуют на кровеносные артерии, оказывая на них меняющееся внешнее давление. Т.е. манжета служит в тонометре узлом активного влияния на контролируемый объект (кровеносные артерии). А фонендоскоп служит акустическим чувствительным элементом, позволяющим наблюдать реакцию объекта на соответствующее воздействие.

6.1.2. Полуавтоматические электронные тонометры

Ныне все более употребительными становятся интеллектуальные электронные (цифровые) тонометры. Их разделяют на 2 группы: полуавтоматические и автоматические. В полуавтоматических тонометрах ручной остается только операция нагнетания воздуха в манжету (с помощью резиновой груши), а в некоторых – еще и операция постепенного снижения давления в манжете (с помощью ручного вентиля). Мы не принимаем во внимание операции наложения и снимания манжеты, так как они являются ручными и в автоматических тонометрах.

Две из многих марок полуавтоматических тонометров показаны на рис. 6.2. Такие тонометры состоят из манжеты, резиновой "груши", электронного блока и соединительных трубок. В состав электронного блока входит микрофон, усилитель и селектор звуковых сигналов, датчик давления в манжете, автоматически управляемый воздушный клапан, звуковой сигнализатор, микрокомпьютер, жидкокристаллический индикатор и кнопки управления прибором.

Образцы полуавтоматических тонометров

Рис. 6.2. Образцы полуавтоматических тонометров

Пользователь накладывает манжету на плечо, закрепляет ее застёжкой, включает прибор. После появления на экране жидкокристаллического дисплея соответствующей пометки, надо с помощью резиновой "груши" нагнетать воздух в манжету. Микропроцессор непрерывно следит за нарастанием давления в манжете и может отображать его значение на экране. Когда давление достигает нужного уровня, микропроцессор подает звуковой сигнал, после которого нагнетание воздуха надо прекратить. Дальше все происходит автоматически. Микропроцессор, непрерывно "слушая" сигнал из микрофона, шаг за шагом открывает на доли секунды воздушный клапан, стравливая немного воздуха из манжеты, и фиксирует величину снижения давления. Он сам регулирует время открывания клапана так, чтобы темп снижения давления не превышал 1-3 мм рт. ст. в секунду (с каждым ударом сердца). Как только из микрофона поступает первый звуковой тон, который свидетельствует о начале пульсирования крови в артерии за манжетой, микропроцессор фиксирует значение систолического давления. А в момент, когда интенсивность звуковых тонов резко уменьшается, фиксирует диастолическое давление. Кроме того, микропроцессор в ходе измерения давления вычисляет и интервалы времени между последовательными ударами сердца, подсчитывает среднюю частоту пульса и вариации длительности интервалов между ударами. После фиксации диастолического давления, сам микропроцессор открывает клапан. Воздух выходит из манжеты, и давление в ней быстро падает до нуля. Измерение заканчивается, а компьютер выводит на экран дисплея найденные значения верхнего и нижнего артериального давления, частоту пульса и предупреждения в случае ошибок или выявления существенной сердечной аритмии.

В некоторых тонометрах все эти значения вместе с датой и временем измерения фиксируются в энергонезависимой памяти прибора, где могут сохраняться данные 30–100 измерений. В этом случае микропроцессор может вычислять и выводить значения среднего артериального давления и частоты пульса за последний период, количество случаев аритмии, и т.п. Некоторые полуавтоматические тонометры имеют также цветную шкалу артериального давления, на которой в виде столбиков отображаются измеренные уровни давления и красным цветом выделяются опасные зоны.

6.1.3. Автоматические электронные тонометры

Некоторые марки автоматических тонометров показаны на рис. 6.3. В их комплектацию уже не входит резиновая груша, так как процесс нагнетания воздуха в этих тонометрах тоже автоматизирован. Для этого в электронном блоке имеется миниатюрный управляемый электронасос. Пользователю остается лишь правильно наложить манжету на плечо и нажать кнопку. Весь дальнейший процесс измерения происходит автоматически. Если в процессе измерения появляются какие-то помехи (перебои сердечного ритма, шевеление руки, кашель, посторонний громкий звук и т.п.), то встроенный в прибор микропроцессор сам запускает процесс измерения повторно.

Образцы автоматических тонометров

Рис. 6.3. Образцы автоматических тонометров

Полностью автоматический режим дает также возможность повысить точность измерения. Если, например, момент перехода через систолическое давление случайно совпал с фазой расслабления сердечной мышцы, то микропроцессор дает команду насосу снова повысить давление в манжете несколько выше систолического, и измерение последнего автоматически повторяется в более медленном темпе снижения давления. Запомнив артериальное давление данного пользователя, микропроцессор при следующих измерениях сам регулирует уровень нагнетания воздуха так, чтобы он лишь на необходимую величину превышал систолическое давление данного пациента, и обеспечивает тем самым более комфортные условия измерения. Некоторые из автоматических тонометров имеют также интерфейс к внешнему компьютеру, выводят на свой дисплей текущие дату и время. Они могут быть запрограммированы на различные сервисные действия. Например, напоминать звуковым сигналом и значками на дисплее о необходимости приема лекарства или очередного измерения артериального давления и т.п.

На работу электронасоса расходуется значительно больше энергии, чем на измерение. Поэтому в автоматических тонометрах запас энергии встроенных аккумуляторов исчерпывается значительно быстрее, их приходится чаще заряжать. Чтобы избавиться от этого недостатка, автоматические тонометры стали выпускать с дополнительным трансформатором-адаптером, который сделал возможным безопасное питание их от обычной сети переменного тока.

6.1.4. Электронные тонометры с манжетой на запястье

Кроме автоматических тонометров с манжетой на плечо, выпускаются также автоматические тонометры с манжетой на запястье и даже на палец руки. Некоторые из таких тонометров показаны на рис. 6.4.

Образцы автоматических тонометров с манжетой на запястье

Рис. 6.4. Образцы автоматических тонометров с манжетой на запястье

Как правило, они меньшие по размерам и поэтому удобней в пользовании. Их можно взять в дорогу, в отпуск, хотя они пока несколько уступают плечевым тонометрам в точности измерения артериального давления. Дело в том, что артерии в области запястья из-за наличия связок не так надежно перекрываются манжетой, и звуки пульсации крови здесь значительно приглушены. С целью повышения точности в некоторых из таких тонометров цикл измерения автоматически повторяется трижды, а потом рассчитываются и выводятся средние значения.

< Лекция 5 || Лекция 6: 12345 || Лекция 7 >