УДК 616.2
ПРИМЕНЕНИЕ МАЯТНИКОВОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ЖИЗНЕННЫХ ФУНКЦИЙ ЧЕЛОВЕКА
Д.М. Малютин, Д.А. Кузнецов
Работа посвящена оценке возможности реализации прибора, одновременно сочетающего в себе функции рефлектометра, тремографа и стабилографа, на основе маятникового акселерометра компенсационного типа.
В наше время развитие медицины и биологии невозможно без использования современной высокоточной измерительной техники. В клинической медицине и экспериментальных медико-биологических исследованиях все шире применяются измерительные средства регистрации различных физических величин, характеризующих медико-биологические параметры жизненных функций организма. Среди них значительную группу составляют биомеханические параметры, изучение которых составляет важную часть неврологического исследования больного, позволяет получить ценные объективные данные для суждения о состоянии различных отделов нервной системы, определить меру терапевтического воздействия, контролировать психофизическое состояние, работоспособность человека. В связи с этим актуальной является задача создания высокоточного, многофункционального, надежного прибора для измерения тремора, рефлекторных сокращений мышц в ответ на дозированное механическое раздражение определенных зон сухожилий и надкостницы, статического равновесия тела.
До настоящего времени в практической и экспериментальной медицине для измерения перечисленных биомеханических реакций применялись механотронные преобразователи, представляющие собой электровакуумные приборы с механически управляемыми электродами [1]. Однако они имели высокую степень нелинейности статической характеристики и низкую надежность.
На кафедре "Приборы управления" ТулГУ проведены работы, позволяющие оценить возможность реализации прибора, одновременно сочетающего в себе функции рефлексометра, тремографа и стабилографа на основе маятникового акселерометра компенсационного типа. Данный вид электромеханического преобразовате-
Характеристики регистрируемых сигналов при изучении деятельности нервной системы человека
Вид исследования
Измеряемая величина
Единицы измерения
Тремо-рография
Рефлек-сография
Стаби-лография
Ускорение
Ускорение
Угловое перемещение
м/с2 м/с2
рад.
Диапазон измеряемой
величины
Максимальная Часто-
амплитуда та, in
0,008 0.. 15
0,3 0.. 12
В сагитгаль- « ной плоскости '
0.
Во фронталь- „ , уу ной плоскости
ля имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с индуктивными, емкостными, тензорезистивными, пьезоэлектрическими датчиками. Он позволяет измерить все три типа реакций несмотря на значительное различие амплитуд регистрируемых величин. Характеристики регистрируемых сигналов согласно данным работы [1] приведены в табл. Ни один из перечисленных преобразователей, относящихся к разомкнутому типу, не может быть использован для решения трех поставленных задач одновременно. Наличие отрицательной обратной связи (ОС) обеспечивает независимость выходных характеристик прибора от параметров собственно датчика угла и параметров усилительно-преобразующего тракта [2], позволяет расширить полосу пропускания, реализовать гибкую структуру измерительного контура с возможностью перераспределения коэффициента передачи прямой и обратной цепей при неизменном общем коэффициенте усиления с целью перестройки диапазона измеряемых ускорений. И, наконец, современные акселерометры компенсационного типа характеризуются весьма небольшими массогабаритными характеристиками и высокой степенью надежности. Так, например, акселерометр типа ДА-11 имеет массу 45 г и габаритные размеры 0 23,5 х 22,5 мм.
Структурная схема прибора для измерения биомеханических реакций жизненных функций организма человека на основе маятникового акселерометра компенсационного типа с взаимоиндуктивным датчиком угла и магнитоэлектрическим датчиком момента представлена на рис. 1. Схема включает в себя модели чувствительного элемента (маятника) акселерометра, датчика угла акселерометра и усилительно-преобразующего тракта, состоящего из усилительного устройства, устройства демодуляции, сглаживающих фильтров и корректирующих звеньев в прямой цепи и цепи ОС, обеспечивающих необходимые динамические характеристики устройства. Выходной аналоговый сигнал 1/вых поступает на устройство согласования УС с персональной электронно-вычислительной машиной ПЭВМ.
Для измерения сигнала а в акселерометре применен взаимоиндуктивный датчик угла. Сигнал рассогласования определяется как разность двух модулированных сигналов. Модулирование производится сигналом переменного тока с частотой 10 кГц.
Эквивалентная передаточная функция (ПФ) разомкнутой системы устройства без учета корректирующих звеньев, включающая эквивалентную ПФ маятника акселерометра, ПФ усилительного устройства и сглаживающих фильтров, имеет вид [3]:
Щр) =
К,
(TlP+ \)(Т2р+ \)(Тур+ \)(Тфр+ I)"
Sensors & Systems • № 5.2001
Рис. 1
где 71] и 7^ — постоянные времени замкнутой системы, Т] + 7^ =f/mgl, Т\ 72 = J/Mgl, где / — момент инерции маятника;/^ величина вязкого трения; т — масса маятника; / — смещение центра тяжести маятника относительно оси подвеса; g — ускорение силы тяжести; М — компенсирующий момент цепи ОС; Ку — коэффициент усиления усилителя на несущей частоте; Ту — постоянная времени усилителя; 7ф — постоянная времени сглаживающего фильтра; я — число фильтров.
Экспериментальное определение параметров 71] и 7^ акселерометра типа ДА-2, имеющегося в распоряжении разработчиков, дало следующие значения постоянных времени: Т\ = 0,65 с; Т2 = 0,035 с.
При 1¥^(р) = \¥ос(р) = 1, исходя из необходимости обеспечения запасов устойчивости по фазе Лф = 35...45° и по амплитуде АЬ = 20...25 дБ разомкнутой системы, были получены следующие динамические характеристики: полоса пропускания — 5 Гц, статическая ошибка — 2,2 %. Эти результаты являются неудовлетворительными и обусловливают необходимость применения корректирующих устройств в прямой цепи и цепи ОС усилительно-преобразующего тракта акселерометра. Проведены исследования динамических характеристик систем с применением различных типов корректирующих фильтров, а именно:
• системы с корректирующим интегро-дифференци-рующим (И-Д) звеном в прямой цепи;
• системы с тем же звеном в прямой цепи и И-Д звеном в цепи ОС;
• системы с корректирующим изодромным звеном в прямой цепи и И-Д звеном в цепи ОС.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Применение корректирующих устройств позволяет увеличить коэффициент передачи по контуру и существенно расширить полосу пропускания системы таким образом, что перекрываются все диапазоны частот исследуемых биомеханических реакций. С точки зрения точности отработки полезного сигнала в рабочем диапазоне частот предпочтительной оказывается система с корректирующим изодромным звеном в прямой цепи и И-Д звеном в цепи ОС, которая и была в дальнейшем реализована. Для данного случая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) замкнутой системы и ЛАЧХ системы по ошибке представлены на рис. 2, а и б соответственно.
Регистрируемый сигнал с выхода усилительно-преобразующего тракта поступает на устройство согласования (УС) с ПЭВМ. В качестве УС использована звуковая карта (Sound Blaster), совместимая с персональным компьютером. Звуковая плата (ЗП) обладает рядом преимуществ сравнительно с другими устройствами ввода аналоговой информации в ПЭВМ. Она имеет достаточно высокую надежность и относительно низкую це-
Датчики и Системы • № 5.2001
ну, обладает достаточно большой частотой дискретизации (19 кГц и выше — в зависимости от типа платы), которую можно регулировать программным путем, и 16-разрядным АЦП. Для ЗП существуют стандартные драйверы (программы), управляющие работой платы и прилагаемые в комплекте с платой.
Несущественный недостаток ЗП — необходимость доработки при вводе сигнала с частотой ниже 20 Гц, так
как данные частоты не являются звуковыми и отфильтровываются платой. Эта проблема решается путем шунтирования фильтра низких частот, находящегося на входе ЗП.
Программное обеспечение управляет процессом преобразования и передачи данных через устройство сопряжения (ЗП) в ЭВМ, осуществляет визуализацию вводимой информации (входные сигналы отображаются на экране монитора в виде графиков в реальном масштабе времени), обработку данных, запись в файл входного сигнала, хранение данных, считывание из файла и просмотр записанной информации.
Диаграммы различных видов биомеханических реакций, полученных экспериментально, визуализированных на мониторе компьютера и сохраненных в памяти ЭВМ, представлены на рис. 3.
При исследовании коленного рефлекса датчик ДА-2 с помощью специального приспособления крепится на голени человека. Результатом нанесения дозированного удара специальным механизмом или пери-куторным молоточком по собственной связке надколенника является разгибание ноги в коленном суставе. Возникший колебательный процесс регистрируется прибором в качестве рефлексограммы (рис. 3, а). При наличии какой-либо патологии может увеличиваться или уменьшаться максимальная амплитуда колебания, продолжительность рефлекса, а также появляется маятнико-образность рефлекса.
Для исследования статического равновесия тела используют сенсибилизированную позу Ромберга (человек стоит, протянув руки вперед, закрыв глаза, носки и пятки ног находятся вместе). Датчик закрепляется на пояснице человека. В случае нарушений деятельности нервной системы увеличивается амплитуда и частота отклонений тела человека от вертикального положения. На рис. 3, б представлена стабилограмма тела человека во фронтальной плоскости.
Экспериментальное исследование тремора руки человека проводилось при закрепленном датчике на пальцах расправленной ладони вытянутой вперед руки. Тре-морограмма руки здорового человека представлена на рис. 3, в, а треморограмма руки больного наследственным тремором — на рис. 3, г. Визуальный анализ тре-морограмм на рис. 3, в, г показывает, что амплитуда колебаний у больного значительно увеличена, а также увеличена частота колебаний.
А
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.