Elektroniczna aparatura medyczna Pomiar ciśnienia

Metody pomiaru ciśnienia tętniczego krwi Rozróżnia się dwie główne metody pomiaru ciśnienia krwi: metodę bezpośrednią - inwazyjną, polegająca na umieszczeniu igły lub cewnika w świetle tętnicy i połączeniu ich z kalibrowanym przetwornikiem ciśnienia, metodę pośrednią - nieinwazyjną, bezkrwawą metodę, polegającą na wywieraniu przez mankiet zmiennego ciśnienia na zewnętrzną ściankę tętnicy tak długo, aż dojdzie do zrównania się ciśnienia w mankiecie z ciśnieniem wewnątrz tętnicy.

Nieinwazyjnego pomiaru ciśnienia tętniczego dokonano po raz pierwszy w 1896 roku, kiedy to Scypion Riva-Rocci skonstruował sfigmomanometr – aparat do pośredniego pomiaru ciśnienia tętniczego krwi, składający się z manometru (rtęciowego, sprężynowego lub elektronicznego), pompki tłoczącej powietrze, mankietu z komorą powietrzną i zaworka do kontrolowanego wypuszczania powietrza z mankietu. Do pomiaru ciśnienia tętniczego metodą tonów Korotkowa niezbędne są również słuchawki lekarskie umożliwiające usłyszenie tętna w naczyniach krwionośnych (wcześniej Riva-Rocci monitorował ręką tętno na tętnicy promieniowej). Sfigmomanometr elektroniczny, zakładany na nadgarstek lub na ramię, posiada tylko niewielki moduł elektroniczny z wyświetlaczem i przyciskami sterującymi oraz opaskę.

Od nazwiska Riva-Rocciego pochodzi do dziś używany symbol określający ciśnienie tętnicze – RR. Od lat 30. XX wieku pośredni pomiar ciśnienia tętniczego jest powszechnie stosowany w praktyce klinicznej. Ciśnienie krwi w aorcie zmienia się od ok. 120 mm Hg w czasie skurczu, do ok. 70 mm Hg podczas rozkurczu. Wartości ciśnienia krwi podaje się zwyczajowo w mm Hg, dlatego że, historycznie, działanie ciśnieniomierzy lekarskich opierało się na zasadzie pomiaru wysokości słupa rtęci. W układzie SI jednostką ciśnienia jest Pa (N/m2). Przelicznik wynosi 1 mm Hg = 133,3 Pa. Podawane ciśnienie krwi np. 120/80 mm Hg określa jakie ciśnienie krwi jest w stosunku do atmosferycznego (średnio ciśnienie atmosferyczne to ok. 760 mm Hg).

W czasie wysłuchiwania tonów Korotkowa można wyróżnić 5 faz: I faza – pojawianie się słabych tonów o charakterze stuków, których głośność stopniowo wzrasta w miarę upuszczania powietrza z mankietu, II faza – tony przybierają charakter szmeru lub świstu, III faza – tony stają się ”chropawe” a ich intensywność wzrasta, IV faza – oznacza moment, gdy tony nagle ulegają ściszeniu, stają się miękkie, dmuchające, stłumione, V faza – oznacza poziom ciśnienia, przy którym słyszy się ostatni ton, po którym następuje całkowite zniknięcie tonów (cisza).

Słyszane w trakcie pomiaru dźwięki są efektem turbulentnego przepływu krwi, wywołanego poprzez sztuczne zwężenie tętnicy. W warunkach fizjologicznych można przyjąć, że przepływ krwi ma charakter laminarny. Gdy zwężamy światło tętnicy prędkość krwi rośnie (prawo ciągłości strugi). Jeśli wartość prędkości przekroczy wartość graniczną, ruch staje się nieuporządkowany - turbulentny. Pojawia się ruch wirowy, który wywołuje drgania, a przez to falę akustyczną możliwą do usłyszenia przez stetoskop.

Metoda oscylometryczna Metoda oscylacyjna, w zasadzie opiera się na tych samych zjawiskach. Różnica polega na tym, że urządzenie nie odbiera efektów akustycznych tonów Korotkowa, ale odczytuje towarzyszące im drgania (oscylacje) tętnicy. Największe oscylacje stwierdza się w tętnicach znajdujących się blisko serca, a więc o dużym przekroju, zaś w tętnicach distalnych (o małym przekroju) oscylacje są mniejsze. Amplituda tych oscylacji jest rejestrowana po każdym skokowym upuszczeniu powietrza z mankietu, z poziomu powyżej spodziewanego ciśnienia skurczowego, do poziomu poniżej ciśnienia rozkurczowego. Ciśnienie skurczowe w metodzie oscylometrycznej przypada na pierwsze wyraźne zwiększenie amplitudy oscylacji, zaś ciśnienie rozkurczowe wyznacza moment pierwszego nagłego zmniejszenia największych oscylacji.

Sposób wyznaczania ciśnienia krwi metodą oscylometryczną

Schemat blokowy urządzenia do nieinwazyjnego pomiaru ciśnienia tętniczego krwi metodą oscylometryczną lub osłuchową (z mikrofonem).

Budowa Rodzaje mierników ciśnienia krwi, których mankiet okludujący umieszcza się: a) na ramieniu, b) na nadgarstku, c) na kciuku

Moduł Infinity® CNAPTM (Continuous Noninvasive Arterial Pressure) SmartPod® oferuje łatwą i dokładną metodę pomiaru skurczowego, rozkurczowego i średniego ciśnienia krwi. Wykorzystuje czujniki z mankietami, w które wsuwa się palce pacjenta. Monitor wyświetla w sposób ciągły wartości liczbowe i falę ciśnienia.

Metoda pomiaru: oscylometryczna Zakres pomiarowy: ciśnienie tętnicze 0 mmHg - 299 mmHg; tętno 40 - 180 uderzeń/min Dokładność: ciśnienie +/- 3 mmHg; tętno +/- 5% Waga całego zastawu: 460 g (bez baterii) Opcjonalnie: rozmiar large dla obwodu ramienia 32-42 cm Zasilanie: 4 baterie AAA (R03, tzw. małe paluszki) Czas zużycia baterii: nowe ogniwa alkaliczne średnio 300 pomiarów Zasilanie opcjonalne: Zasilacz AC 250V~ 50Hz 0,12A / DC 6V 4W Pamięć: 60 pomiarów (1 zapis: ciśnienie skurczowe, rozkurczowe, tętno)

Przetworniki indukcyjnościowe W przetwornikach indukcyjnościowych wykorzystuje się zjawisko zmiany indukcji magnetycznej do przetworzenia przemieszczenia na wartość napięcia elektrycznego. Rozróżnia się przetworniki, w których następuje zmiana: indukcyjności własnej L (przetworniki dławikowe i solenoidalne), indukcyjności wzajemnej M (przetworniki transformatorowe). Obecnie przetworników indukcyjnościowych do pomiaru ciśnienia już się nie stosuje. Zostały one wyparte przez przetworniki z czujnikami: pojemnościowymi lub piezorezystancyjnymi.

Przetworniki pojemnościowe Zasadniczą częścią czujników wykorzystujących efekt pojemnościowy jest specjalnie zbudowany kondensator. Górną jego okładkę stanowi giętka membrana. Dolną okładką jest sztywna kształtka uformowana w wyniku anizotropowego, mokrego trawienia krzemu. Cały kondensator składa się z centralnej części – czułej na zmiany ciśnienia – i części brzegowej, odgrywającej rolę pojemności stałej.

Czujniki piezorezystancyjne Czujniki piezorezystancyjne wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Cechują się dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. Proces produkcji tych czujników jest prostszy i tańszy niż czujników pojemnościowych (mniej etapów technologicznych, mniej masek itp.). Grubość membrany zależy od zakresu pomiarowego ciśnień i wynosi (5÷200) μm. W ugiętej membranie powstają naprężenia rozciągająco–ściskające. W obszarze tych naprężeń umieszczone są piezorezystory połączone w układ mostka Wheatstone’a tak, aby otrzymać w nich dodatnie i ujemne zmiany rezystancji wywołane efektem piezorezystancyjnym. Zmiany rezystancji są zależne od wielkości naprężenia (odkształcenia) membrany, a więc od ciśnienia.

Schemat ideowy układu pomiarowego z mostkiem piezorezystancyjnym: R – piezorezystory, ΔR – zmiana rezystancji piezorezystora wywołana ciśnieniem, R0 – rezystor kalibrujący; gdzie:

Czujnik ciśnienia w obudowie-kapsule Rodzaj obudowy różni się w zależności od przeznaczenia czujnika. Podstawowym jej zadaniem jest doprowadzenie ciśnienia do membrany - najczęściej przez specjalną dyszę - oraz ochrona delikatnej struktury przed szkodliwymi oddziaływaniami chemicznymi i mechanicznymi. Struktura czujnika połączona jest cienkim złotym drutem z wyprowadzeniami wychodzącymi na zewnątrz obudowy. Powierzchnia membrany oraz doprowadzenia są pokryte żelem silikonowym, tak aby odizolować je od szkodliwego działania środowiska. Żel taki jest gęsty i sprężysty, dzięki czemu przenosi sygnał ciśnienia do krzemowej membrany.

Na wartość sygnału pomiarowego wpływ ma również temperatura otoczenia Na wartość sygnału pomiarowego wpływ ma również temperatura otoczenia. W układ pomiarowy wbudowywany jest czujnik temperatury, kompensujący jej wpływ na pomiar ciśnienia. W układach zintegrowanych czujnik ciśnienia oraz układy wzmacniające, zapewniające jego liniowość oraz kompensację wpływu temperatury, mieszczą się w jednej strukturze półprzewodnikowej. Na wyjściu takiego układu otrzymuje się sygnał analogowy lub cyfrowy proporcjonalny do mierzonego ciśnienia. Dodatkowym zabiegiem eliminującym wpływ szumów i efekty nieliniowe jest zamiana sygnału analogowego na cyfrowy już w czujniku.

Znane są czujniki ABP oferowane np Znane są czujniki ABP oferowane np. przez firmę Becton Dickinson - jednorazowego użytku przetwornik DTX/Plus. Zawiera zintegrowane urządzenie przepływu, które ma zastosowanie do pomiarów ciśnienia wymagających ciągłego przepływu. Szybkość przepływu wynosi 3 cm3/h przy ciśnieniu 300 mmHg. Zakres mierzonego ciśnienia wynosi od -30 mmHg do 300 mmHg. Przekroczenie tej wartości nie uszkadza przetwornika, gdyż posiada pewien zakres tolerancji nadciśnienia, tj. -700 mmHg ÷ 7800 mmHg. Ciśnienie można mierzyć niezależnie od ciśnienia atmosferycznego.

DTX/Plus można łatwo zamontować na ramieniu pacjenta bądź stojaku DTX/Plus można łatwo zamontować na ramieniu pacjenta bądź stojaku. Przetwornik nie zawiera elementów wykonanych z lateksu i tym samym jest odpowiedni dla alergików. Przezroczystość czujnika zapewnia całkowita kontrolę nad przepływem bez pęcherzyków powietrza.

Rozwiązania – TI

Rozwiązania – TI

Pomiary temperatury Najczęściej stosowane czujniki temperatury: a) czujniki rezystancyjne, b) czujniki półprzewodnikowe, c) termopary, d) czujniki bimetaliczne, e) czujniki ciśnieniowe, f) pirometry.

Czujniki rezystancyjne - przyrządy reagujące na zmianę temperatury zmianą rezystancji wbudowanego w nie rezystora. Zmiany te są charakterystyczne dla każdego termorezystora i wyrażone za pomocą temperaturowego współczynnika rezystancji α (TWR). Współczynnik ten określa względną zmianę rezystancji wywołaną zmianą temperatury o 1 °C. Znając rezystancję RP termorezystora w temperaturze początkowej TP, możemy określić jego rezystancję R w dowolnej innej temperaturze T:

Czujniki rezystancyjne Cechy metali stosowanych na rezystory termometryczne: możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji, możliwie duża rezystywność zapewniającą wykonanie rezystorów o małych wymiarach, możliwie wysoka temperatura topnienia, stałość właściwości fizycznych, odporność na korozję, powtarzalność właściwości elementów o identycznych kształtach, ciągłość zależności rezystancji od temperatury bez wystąpienia histerezy.

Czujniki rezystancyjne PN-EN 60751 podaje zależność między temperaturą, a rezystancją dla rezystorów platynowych określoną na podstawie poniższych wzorów: - w zakresie -200°C do 0°C: Rt = R0[1+At+Bt2+C(t-100°C) t3] - w zakresie 0°C do 850°C: Rt = R0(1+At+Bt2) Wartości stałych dla platyny : A = 3,9083 x 10-3 °C-1 B = - 5,775 x 10-7 °C-2 C = - 4,183 x 10-12 °C-4

Czujniki rezystancyjne W praktyce okazuje się, że współczynniki B i C są o kilka rzędów mniejsze niż współczynnik A, zatem dla umiarkowanych temperatur można pominąć człony o wyższych potęgach i przyjąć, że zależność rezystancji od temperatury dla czujnika np. Pt100 jest liniowa. Według normy PN-EN 60751 nominalna rezystancja czujnika Pt100 wynosi 100,00 Ω w temperaturze 0 °C. Dostępne są również czujniki rezystancyjne o nominalnych wartościach 500 Ω (Pt500) oraz 1000 Ω (Pt1000), które charakteryzują się znacznie większą dokładnością (większa rozdzielczość rezystancji w stosunku do temperatury).

Czujniki rezystancyjne Układem pomiarowym do czujników rezystancyjnych jest mostek Wheatstone'a: W stanie równowagi mostka napięcie wyjściowe Uwyj=0. Gdy następuje zmiana temperatury czujnika (powodując zmianę jego rezystancji), na wyjściu mostka pojawi się napięcie Uwyj proporcjonalne do zmiany temperatury.

Czujniki termoelektryczne (termopary) - para drutów wykonanych z różnych metali (lub stopów) i połączonych na końcach za pomocą spawania, zgrzewania, lutowania lub skręcania, gdzie powstaje różnica potencjałów. Odznaczają się dużą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Materiały stosowane na termoelementy powinny wykazywać następujące cechy: duża temperatura topnienia, duża dopuszczalna temperatura pracy ciągłej, duża odporność na wpływy atmosferyczne, możliwie mała rezystywność, mały cieplny współczynnik rezystancji, stałość powyższych właściwości w czasie.

Czujniki termoelektryczne (termopary) Podstawowym elementem termometru termoelektrycznego jest czujnik generacyjny, stanowiący ogniwo termoelektryczne. W tak utworzonym termoelemencie składającym się z różnych materiałów, powstaje siła termoelektryczna wtedy, gdy spoina i zimne końce utrzymywane są w różnych temperaturach. Czułość termoelementu zależy od siły termoelektrycznej materiałów, z których wykonane są termoelementy. Na termoelementy należy wybierać zestawy materiałów, które w szeregu termoelektrycznym znajdują się możliwie daleko od siebie, co zapewnia występowanie możliwie dużych sił termoelektrycznych przy określonej różnicy temperatur.

Czujniki termoelektryczne (termopary) Przykładowy układ do pomiaru temperatury za pomocą termopary: Przy podłączaniu czujnika konieczne jest zastosowanie przewodu kompensacyjnego, z dokładnie takiego samego materiału, jaki został zastosowany w czujniku. W innym przypadku na styku połączenia tworzy się kolejna termopara.

Czujniki termoelektryczne (termopary) Wyróżnia się kilka rodzajów termopar, oznaczanych symbolicznie literami: J, K, B, R, S, T, C, E, N. Różnią się one zakresami pomiarowymi oraz materiałami, z których wykonano złącze pomiarowe. Największą liniowość charakterystyki przetwarzania U = f(T) wykazuje termopara typu K.

Czujniki termoelektryczne (termopary) Typ Element C [μV/ °C] Zakres [°C] + - J żelazo konstantan 52,7 –210 ÷ 1200 K chromel alumel 41,0 –270 ÷ 1350 R,S platynorod platyna 6,5 0 ÷ 1750 T miedź 42,8 –270 ÷ 400 C wolfram 5% - ren wolfram 26% - ren 14,5 0 ÷ 2320

Czujniki pirometryczne Pirometr jest przyrządem pomiarowym do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość emitowanej energii przez pomiar temperatury elementu na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600 °C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika). Pirometry służą do bezkontaktowego pomiaru temperatury obiektów ruchomych, niedostępnych lub niebezpiecznych w dotyku. Charakteryzują się dużym zakresem mierzonych temperatur.