Экспериментальные методы фильтрации и нестационарной гемодинамики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Кандауров Олег Николаевич

Экспериментальные методы фильтрации и нестационарной гемодинамики

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2005

Работа выполнена в Алтайском государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Волков Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Федянин Виктор Яковлевич

кандидат физико-математических наук, доцент Егоров Александр Владимирович

Ведущая организация: Институт теплофизики имени С.С.

Кутателадзе СО РАН.

Защита состоится 26 декабря в 15й9 на заседании . _ -диссертационного совета Д212.005.03 Алтайского государственного университета, по адресу: 656049 Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета.

Автореферат разослан 25.11.2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Рудер Д.Д.

114277--4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время имеется потребность в создании новой медицинской аппаратуры и соответствующих экспериментальных методик. Например, при фильтрации воздуха в легких для создания гипоксической гиперкапнии или фильтрации биологических жидкостей в почках, печени и кровеносных сосудах, где необходимо измерять и регулировать расход. Это обстоятельство требует новых устройств диагностики и воздействия на организм человека.

Решение поставленной задачи позволит улучшить техническое оснащение медицины, в результате чего для практического здравоохранения будут доступны новые приборы с новыми и более совершенными методами диагностики и воздействия на сердечнососудистую и легочную систему человека. Кроме того, устройства, регистрирующие пульсовую волну человека, сопряженные с современными компьютерами, дадут возможность проведения дальнейших медицинских исследований, а также более тонкой и ранней диагностики заболеваний ишемической болезни сердца и инсультов.

Целью исследования является разработка новых методов измерения пульсаций давления и расхода жидкости, а также аппаратной базы для регулировки расхода жидкости и газа по длине и сечению канала в широком диапазоне чисел Рейнольдса, которые могут быть использованы при фильтрации в нестационарной гемодинамике для диагностики и воздействия на сердечнососудистую и дыхательную систему человека. При этом ставились следующие задачи:

1. Разработка устройств фильтрации воздуха, позволяющих плавно дозировать содержание углекислого газа и кислорода в медицинских комплексах по гипоксической гиперкапнии.

2. Разработка экспериментального метода фильтрации, позволяющего расширить диапазон измерения расходных скоростей в ротаметрах.

3. Создание устройства быстрого изменения расхода жидкости и газа по длине и сечению канала, с использованием особенностей фильтрации жидкости через деформируемый

зернистый слой.

4. Разработка устройства регистрации и обработки пульсовой

волны, для исследования нестационарной гемодинамики при

фильтрации крови.

Научная новизна

Экспериментально разработаны и научно обоснованы новые методики:

1. Метод регулировки расхода и расслоения выдыхаемого воздуха человеком за счет деформации пористой среды или изменения количества проводящих каналов.

2. Метод расширения диапазона измерения расхода в расходомерах постоянного перепада давления.

3. Получение и обработка спектра пульсовой волны на основе звуковой платы персонального компьютера.

Достоверность полученных результатов подтверждается многократными проверками на тарированных приборах с анализом погрешностей и отсутствием противоречий с известными литературными данными, а также адекватностью моделей при обработке экспериментальных данных.

Практическая значимость результатов работы заключаются в создании новых устройств по воздействию на дыхательную и сердечно-сосудистую систему человека, используемых в практической медицине.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты, полученные в диссертации, переданы консультативно-диагностическому центру ГОУ ВПО АГМУ Российского здравоохранения для использования в практической медицине и проведения исследований в области диагностики заболеваний. Экспериментальные методы и подходы данной тематики, разработанные автором, были использованы в учебном процессе и научной работе студентов, магистров и аспирантов АлтГУ и АГМУ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях, а именно:

1. XXVIII Сибирский теплофизический семинар

2. HEFAT2005, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 19-22 September 2005, Cairo, Egypt.

3. Дальневосточная региональная конференция с всероссийским участием: «Медицинская физика и новые медицинские технологии».

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано девять печатных работ, получен один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 115 страницах, включая 43 рисунка, 11 фотографий, 2 таблицы, список литературы из 102 названий.

Основные положения представляемые к защите

1. Новый класс устройств по созданию гипоксической гиперкапнии с применением деформируемых и не деформируемых капиллярно-пористых тел.

2. Экспериментальное доказательство увеличения диапазона измерения в расходомерах постоянного перепада давления при использовании кипящих слоев из ферритовых частиц.

3. Новые устройства управления потоком жидкости и газа за счет деформации пористых сред.

4. Устройство для получения спектра пульсовой волны с использованием звуковой платы персонального компьютера.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость новых устройств фильтрации в нестационарной гемодинамике для диагностики и воздействия на сердечнососудистую и дыхательную систему человека.

Первая глава содержит литературный обзор, в котором приведены патентно-технический анализ известных устройств, измеряющих и регулирующих расход жидкости и газа, а также методы использования капиллярно-пористых тел в медицинских аппаратах по созданию гипоксической гиперкапнии и средства исследования нестационарной гемодинамики. Из обзора следует:

1. Существующие на сегодняшний день расходомеры постоянного перепада давления имеют достаточно узкий диапазон измерения, а регулирующие поток жидкости устройства, из-за инерционности, имеют ограничения в своем применении.

2. Имеющиеся устройства по созданию гипоксической гиперкапнии весьма громоздки и не позволяют плавно дозировать уровень содержания углекислого газа и кислорода во вдыхаемом человеком воздухе.

3. Устройства диагностики пульсовой волны сложны, и не позволяют проводить анализ Фурье в низкочастотной области спектра.

Наличие этих недостатков обосновывает необходимость новых методических подходов в разработке и создании устройств, имеющих дополнительные возможности и обладающих улучшенными характеристиками по сравнению с аналогами.

Во второй главе изложены методы экспериментальных исследований фильтрации, которые проводились при разработке устройств измерения расхода жидкости и его регулировки с применением зернистых слоев.

Для достижения этих целей в работе была приведена новая конструкция (рис.1) на базе ротаметра РС-5 (РМ-7), в которой поплавок разбивался на множество ферритовых частиц, образовывая зернистый слой. Для удержания этих частиц в рабочей области, верхние и нижние части ротаметра ограничивали решетками 1 с шагом сетки меньше диаметра частицы. В потоке жидкости частицы взвешивались, образуя «кипящий слой». По высоте I этого слоя судили о расходе жидкости. Для более существенного расширения диапазона измерения и получения электрического сигнала, частицы были выполнены из феррита трех фракций, показанных на рис. 1 под номерами 2, 3, 4. Высота «кипения» слоя частиц и их магнитная проницаемость влияли на индуктивность катушки 5 (рис. 2), закрепленной на стеклянном цилиндре 6. Катушка включалась в

электрическую схему автогенератора и при изменении индуктивности изменялась его частота, что фиксировалось цифровым частотомером.

Рис. 1

Рис.2

Катушка индуктивности 5 имела форму вытянутого клина, как показано на рис. 2, и наклеивалась сверху на стеклянный цилиндр 6 ротаметра, что позволяло менять катушку и ее геометрию без разборки ротаметра.

Для расчета высоты кипящего слоя использовались соотношения, приведенные в работах Аэрова Тодеса:

3 6Аш^2 +324и\ = 0.3 ЬАаги\,

(Лу)2</4

где и0 - расходная скорость, <1 -диаметр частицы,

V- кинематическая вязкость, А - выражение вида:

угр

в котором g, р, р& и £ - ускорение свободного падения, плотность

жидкости, плотность частиц и пористость соответственно. Решение этого соотношения позволяет найти по заданным значениям пористости зернистого слоя и расхода жидкости соответствующий диаметр взвешенной частицы, причем пористость меняется от 0.4 (при критической скорости начала взвешивания) до 1 (при выносе частиц из слоя).

В работе приведена схема автогенератора и блока регулируемого стабилизатора напряжения и тока. Полученные экспериментальные данные, в пределах погрешности эксперимента, составляли 5 % (рис. 3 и рис.4). На рис. 3 кривая 2 иллюстрирует зависимость высоты кипящего слоя в делениях ротаметра от расхода С} в устройстве с применением одной фракции ферритовых частиц эффективного диаметра 0.23 мм. Кривая 1 показывает ту же зависимость от положения поплавка в ротаметре РС-5. Из этих графиков видно увеличение диапазона измерения расхода <2 в расходомере постоянного перепада давления по верхней границе кипящего слоя в 1,5 раза относительно поплавкового исполнения. Рис. 4 иллюстрирует зависимость частоты генератора от расхода жидкости в конструкции на базе ротаметра РС-5 с применением ферритовых частиц следующих средних диаметров и объемов: 1 -0.23 мм, 1.25 см3; 2 - 0.45 мм, 1.87 см3; 3 - 0.8 мм, 4.5 см3. Этот рисунок демонстрирует увеличение диапазона в 3,8 раза по отношению к ротаметру РС-5.

В этой же главе показаны новые конструктивные решения управления потоком жидкости:

1. Для быстрой регулировки расхода жидкости использовалась деформация пористых сред магнитным полем.

2. Для осуществления стабилизации расходной скорости и пространственной регулировки потока жидкости, в некотором диапазоне, использовалась упругая деформация эластичного зернистого слоя за счет кинетической энергии среды.

Управление потоком достигается уменьшением эффективного проходного сечения между частицами, образующими пористую

среду, в одних случаях - при общей деформации, в других - за счет деформации потоком, и, как следствие, увеличением сопротивления потоку. Для оценки давления Р, затрачиваемого на упругую деформацию, проведены эксперименты с зернистым слоем, частицы которого выполнены из резины марки ЕРЬм. Экспериментальные данные отражены на графике (рис 5). График иллюстрирует зависимость изменения толщины зернистого слоя А от давления Р направленного на сжатие этого слоя. При этом толщина без деформации составляла 8 мм, а частицы имели форму цилиндров с диаметром и длинной 1 мм. Деформация производилась в цилиндре, имевшем диаметр 14 мм, стенки которого были покрыты силиконовой смазкой. На данном рисунке кривая № 1 иллюстрирует усредненную зависимость перемещения поршня от давления на зернистый слой, кривая № 2 и № 3 иллюстрируют подобную зависимость при монотонном увеличении давления от 0 до 10 кг/см2 (кривая 2) и обратно (кривая 3).

Пунктирной линией показано необходимое перемещение поршня, без изменения внутреннего объема каждой частицы, при котором пористость слоя становится нулевой.

В конце второй главы приведены выводы и погрешности экспериментов.

В третьей главе рассмотрено использование недеформируемых и деформируемых пористых упаковок в устройствах гипоксической гиперкапнии. Экспериментально доказано, что имеющиеся в пористой среде капилляры оказывают максимально расслаивающее действие на выдыхаемую газовую смесь при ее минимальном общем

объеме. Приведены новые конструкции с использованием недеформируемых упаковок, в которых в качестве пористой среды применялись стеклянные шарики 2 диаметром 3 мм и диаметром 18 мм, находящиеся в корпусе 1 между решетками 3 (см. рис. 6). Через трубку 4, соединенную с загубником 5, производилось дыхание. Количеством открытых отверстий 6 за счет поворота задвижки 7 регулировалось количество используемых эффективных капилляров в пористой среде.

Рис.6

Вместе с изменением количества эффективных капилляров регулировался и дополнительный объем «мертвого пространства», т.е. объем дыхательных путей, в результате которого при дыхании не происходит замены последней выдыхаемой порции воздуха.

В новой конструкции (рис.7) с деформируемой пористой средой 3, удерживаемой в корпусе 1 решеткой 4 и подвижным поршнем 5 дыхание происходило сквозь все эффективные каналы.

Рис.7

Поршень 5 был выполнен из кольца с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса и мог свободно перемещаться. На кольце поршня крепились фиксаторы 6 для ограничения деформации, а внутри кольца устанавливалась решетка 7.

1 2 3 5 -Л. 'л 7

а \ 5 о \ 1 ? \ в | я в\ § ^ •5 я \ 3 Т2 о \ о 5 я э\ з § Й \ § Е -о 3 \ а % \ п ?5 3 \ 11« \ Е Я § \ Омл (без устройства) Г" '"^А*ы, 500 мл Ж 4 « / 900 мл

Я ^ о к» § •в- 2? В о ы а « > 1 ГУ ■ ч? Я е- о к> § в* о »о 4 -/ » Л»' „ о 2? О § •вО (О

1 Шарики 018мм 1и но То а\ !+ о оо V % о\ £ и»'- .00 С* 1 К) >9

2 Шарик и 03 мм ^ но К) ¡+ о ■''¿04 Щр!?? к> у» Оч 1+ © о\ 00 £ о То Ж/ - -

3 Сентипон и> ^ То о\ 1+ о Шч о. ЙМ 1Л 45 Но и! 00 1л Но и> *** V <8 о ё м >9

4 Фторопласт - 4 и> £ То СЛ 1+ о й- -Щ* -1. .,„ Л - ак <3\ Ъ\ но То V ,е "У • -

Рис 8

Дополнительный объем мертвого пространства менялся за счет изменения пористости сжатием поршня 5.

Проведенные тесты разных устройств отображены в таблице рис 8.

В столбце 2 отображен материал исполнения пористой среды, применяющийся в аппаратах ги[токсической гиперкапнии. В третьем столбце приведены данные по содержанию углекислого газа С02 и нехватки кислорода 02 в выдыхаемом пациентами воздухе без использования устройств. В столбцах 4, 5, 6, 7 - с использованием устройств, в которых свободный (не занятый) объем в пористой среде составляет соответственно 300, 500, 700 и 900 мл. В строках 3 и 4 приведены данные для аппаратов с деформацией синтепона и фторопластовой стружки с тем же диаметром пористой среды. Численные значения, свидетельствующие о пониженном уровне гипоксии и гиперкапнии в организме человека, при использовании аппарата на основе стеклянных шариков диаметра 18 мм и синтепона, указывают на то, что отношение эффективной длинны капилляров к их эффективному сечению, имеет меньшее значение, чем у фторопластовой стружки или шариков диаметром 3 мм. Поэтому при применении материалов большей пористости с целью уменьшения габаритов всего устройства целесообразно поддерживать данное соотношение на достаточном уровне. Из проведенных тестов следует, что использование пористой среды позволяет максимально расслоить поток выдыхаемой газовой смеси, и, тем самым, повысить концентрацию углекислого газа в альвеолярном воздухе. Наличие механизма изменения используемого объёма пористой среды, или изменения ее пористости методом деформации, позволяет достигнуть плавной регулировки концентрации СОг в альвеолярном воздухе.

Кроме того, многочисленные опыты показали, что уровень содержания углекислого газа зависит только от незанятого объема в пористой среде, т.е. \гдош,=£Уобщ, где УД01Ш - дополнительный объем мертвого пространства, е - пористость, У^щ - общий объем рабочей пористой среды.

В конце главы сделан вывод и прогноз развития устройств гипоксической гиперкапнии.

Четвертая глава посвящена нестационарной гемодинамике, в частности экспериментальному методу диагностики пульсовой волны. В ней описано устройство регистрации пульсаций давления, выполненное в виде приставки к ПК. Блок-схема работы всей установки показана на рис. 9 и состоит из датчиков деформации 1, 2,

схемы аппаратного преобразования 3, персонального компьютера 5 со стандартной звуковой платой 4.

Рис.9

Датчики 1, 2 косвенным методом снимают изменение давления в кровеносных сосудах человека за счет изменения их диаметра. Поступающий с датчиков деформации 1, 2 сигнал усиливается и преобразуется схемой аппаратного преобразования в амплитудно-модулированный сигнал, синхронизируемый с выхода звуковой платы. Уровень амплитуды контролируется за счет глубокой обратной отрицательной связи и согласовывается с входом звуковой платы 4 ПК 5. Амплитудная модуляция необходима для переноса спектра пульсовой волны, имеющего в своем составе низкочастотные составляющие (меньше одного Герца), в диапазон полосы пропускания звуковой платы ПК.

Встроенная звуковая плата, являясь стандартным 16-и разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), переводит аналоговый амплитудно-модулированный сигнал в цифровой. На рис. 10 изображен график, построенный по точкам, снятым АЦП с частотой 44,1 кГц,

Рис. 10

где ось абсцисс '- есть время, а ось ординат - амплитуда в десятичных значениях АЦП. Далее - программными средствами происходит детектирование с предварительным усреднение участка А и В в каждом периоде и нахождение амплитуд. Сигнал, выстроенный по точкам, значение которых равняется амплитудам,

есть первоначальный сигнал, снимаемый датчиками. Затем, для получения спектра программой производится преобразование Фурье, а для расчета скорости распространения пульсовой волны определяется каждый передний фронт в обоих каналах и вычисляется время запаздывания, которое делится на введенную с клавиатуры длину артерии.

Предпочтение такому построению устройства отдали в связи с возможностью использования уже готовый АЦП в виде звуковой платы, которая присутствует во всех современных персональных компьютерах, и простой схемной реализацией аппаратного преобразователя. Кроме того, двухканальное АЦП позволяло отцифровывать одновременно два сигнала, а программа -рассчитывать скорость распространения пульсовой волны и спектр, начиная от 0.1 Гц, что трудновыполнимо для обычных спектрометров. Аппаратный преобразователь необходим для согласования уровней и выходных сопротивлений датчика с входными АЦП, а также перемещения спектра низкочастотного сигнала пульсовой волны в спектр, находящийся посредине частотной полосы пропускания звуковой платы при помощи амплитудной модуляции несущей, поступающей с выхода этой же звуковой платы. Рассмотрим работу одного из независимых каналов преобразователя, показанного на рис. 11. Согласование выходного сопротивления пьезодатчика деформации типа ЗП1 достигается высоким входным сопротивлением усилителя аппаратного преобразователя. Эквивалентная схема датчика, подсоединенного к входам К1, К2, состоит из источника напряжения последовательно соединенного с конденсатором емкостью около 20 пФ. Поэтому входное сопротивление усилителя 11,х равное 118+117 в схеме аппаратного преобразователя выбиралось высоким и находилось из формулы:

£ = 1/(2^0,

где С - внутренняя емкость датчика, f - низшая частота спектрального анализа пульсовой волны. Для уменьшения погрешности квантования детектированного сигнала несущая частота должна быть много больше частоты максимальной гармоники пульсовой волны. Т.к. интересующий частотный диапазон заканчивается 100 Гц, то при несущей в 2 кГц максимальная погрешность квантования составляет 2%. Для избавления

от синфазных помех при усилении сигнала датчика в схеме аппаратного преобразователя были применены измерительные усилители, собранные на трех операционных усилителях (ОУ) Е)3:1, 03:2, Б1:2. Т.к. входное сопротивление должно быть не менее 8» 107 Ом, Б3:1 и 03:2 выбрали с полевыми транзисторами на входе. Переменным резистором Я6 осуществлялась регулировка коэффициента усиления. По характерным вспышкам светодиода УБ1 судили о точности установки датчика на артерию. Включение эмиттерного повторителя в цепь обратной отрицательной связи через Ю4 фактически исключает его искажения. Выходная амплитуда с напряжением V модулированного сигнала равнялась Ку11д, где 11д - есть напряжение на датчике деформации, а коэффициент усиления ^определялся из формулы :

, Д4 + Л5

К„ =1 + -

у Д6 + ДЗЗ

Усилитель, собранный на ОУ БЫ, служил для усиления синхронизирующего сигнала звуковой платы, поступающего на вход К9, и управления ключа, собранного на транзисторе Т2. Транзистор Т2 замыкает выход с напряжением равным Ку11д на 0 с частотой несущей. Таким образом, происходила амплитудная модуляция. Фильтр низких частот Я35,С8 служил для исключения резонанса в звуковой плате ПК, возникающего из-за присутствия высокочастотной гармоники в прямоугольном сигнале. Работа второго канала аналогична.

Два независимых канала позволяли получать скорость распространения пульсовой волны, которая вместе со спектром давала более полную картину состояния внутренних стенок кровеносных сосудов.

Основные результаты и выводы:

1. Разработан новый экспериментальный метод фильтрации на основе деформируемого зернистого слоя, использование которого, позволило создать ряд устройств, обладающих плавной дозировкой содержания углекислого газа и кислорода в медицинских комплексах по гипоксической гиперкапнии.

2. Разработано и изготовлено устройство по фильтрации

жидкости в кипящем зернистом слое, с помощью которого удалось увеличить диапазон измерения расходных скоростей в 3.8 раза по отношению к стандартным ротаметрам.

3. С использованием особенностей фильтрации жидкости через деформируемый зернистый слой, созданы устройства быстрого изменения расхода жидкости по длине и сечению канала.

4. Для исследования нестационарной гемодинамики при фильтрации крови разработано и изготовлено двухканальное устройство регистрации и обработки пульсовой волны, выполненное в виде приставки к персональному компьютеру, позволившее осуществить анализ Фурье пульсаций давления.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Кандауров О.Н. Магнит и жидкости //Интеллектуальный потенциал ученых России: Тр. молодых Сиб. ин-та знаниеведения,-Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2003- Вып.2 -С.97

2. Кандауров О.Н. Использование феррочастиц в измерении расхода//Физика, радиофизика- новое поколение в науке./ Под ред. A.C. Шатохина,- Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2003- Вып.З.-С. 26-27

3. Кандауров О.Н Деформация зернистого слоя течением жидкости// Известия АГУ. - Сер.: Математика. Прикладная математика и информатика. Физика.- Барнаул., 2005 -№1 (45).-С.97-98

4. Кандауров О.Н. Течение жидкости в деформируемом зернистом слое//Известия АГУ. - Сер.: Математика и информатика. Физика- Барнаул., 2004 - №1(31).- С. 97-98

5. Пат. 2260759 Российская Федерация, МПК7 F 28 F 9/02. Коллектор теплообменника / Кандауров О.Н., Волков В.И.; заявитель и патентообладатель Алтайский государственный университет. - № 2003124732/06; заявл. 07.08.2003; опубл. 20.09.2005, Бюл. № 26 - 6 е.: ил.

6. Кандауров О.Н., Волков В.И., Куликов В.П., Беспалов А.Г. Некоторые тенденции разработки устройств по гипоксической гиперкапнии// Медицинская физика и новейшие медицинские технологии: Матер. Дальневосточной регион, конференции с всероссийским участием.- Владивосток., 2005,- С. 104-108

7. Кандауров О.Н., Волков В.И., Куликов В.П., Засорин С.В., Колосов Д.А. Устройство для оценки упруго-эластических свойств

артерий// Медицинская физика и новейшие медицинские технологии: Матер. Дальневосточной регион, конференции с всероссийским участием.- Владивосток., 2005,- С. 109-115

8. Волков В.И., Куликов В.П., Кавдауров О.Н. Прикладные аспекты зернистого слоя // XXVIII Сибирский теплофизический семинар. - Новосибирск., 12-14 окт. 2005: [Электронный ресурс] / -Электронные данные. - Неб., 2005. ~ 1 электрон. Опт. Диск (CD-ROM): цв.;12 см.

9. Кандауров О.Н., Волков В.И., Куликов В.П., Якушев Н.Н.,

Нечаев М.В. Некоторые варианты применения пористых и '

зернистых слоев в медицине. // Вестник Уральской Медицинской Академии Науки, Екатеринбург, №3,2005.- С . 65-68.

Лицензия ПД-12-0060 от 22.02.2001 Подписано в печать 21.11.2005 Формат 60X84/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Ъ64. Типография Алтайского государственного университета 656049. Барнаул, ул. Димитрова, 66

»24525

РНБ Русский фонд

2006-4 25768