Преобразователь для измерения давления спинномозговой жидкости

 

ПРИМЕЧАНИЕ: числитель – абсолютное число  больных, знаменатель – процент.

1. Г и п о т е н з и я. Как видно из таблицы 1, ликворное давление  99 мм. вод. ст. обнаруживалось у 21,7 % лиц без органических заболеваний центральной нервной системы, в том числе у 17,6% практически здоровых; в то же время, по мнению большинства авторов, этот уровень этот уровень находится за пределами нижней границы нормы и характеризует внутричерепную гипотензию. Возникает вопрос, можно ли отнести к патологическому ликворному синдрому уровень давления, определяемый у 21,7% лиц без органических заболеваний центральной нервной системы или у 17,6% практически здоровых.

 

     Таблица 2. Уровень низкого ликворного давления.

 

2. Как видно  из таблицы 2, у ряда обследуемых 1-й  и 2-й группы отмечено значительное снижение ликворного давления. Особого  внимания заслуживает снижение давления у практически здоровых  и больных  неврозами до 80-60 мм, что обычно принимается  за проявление резкой гипотензии и, по мнению ряда авторов, требует неотложных терапевтических мероприятий/

     Статистические  данные показывают, что при диагностике неврологических заболеваний и нарушениях работы мозга определение давления спинномозговой жидкости ставится одной из главных задач. Разработка преобразователя для измерения давления является актуальной проблемой медицины, так как современные методы, такие как  люмбальная пункция, являются очень болезненными и рискованными для пациента. 

     2 Обзор преобразователей для измерения давления спинномозговой жидкости

     Давление  люмбальной жидкости определяется во время проведения люмбальной пункции. После введения пункционной иглы, давление определяется по вытекшей жидкости. В измерительных преобразователях основным элементом являются упруги чувствительные элементы, по деформации которых можно судить об изменении давления. Принцип действия всех измерительных преобразователей давления жидкости основан на измерении деформации упругого чувствительного элемента (УЧЭ).  

     2.1 Упругие чувствительные элементы

     Упругие чувствительные элементы используются в качестве первичного преобразователя давления. Чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая оболочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напряжения, уравновешивающие действующее на нее давление

     Преобразователи в зависимости от конструкции чувствительного элемента делятся на трубчатые, мембранные и сильфонные.

     Мембрана (рис. 2, а) представляет собой упругую пластину в форме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением.

     

     Рисунок 2- Основные типы УЧЭ 

     Мембранная  коробка (рис. 2, б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

     Сильфон (рис. 2, в) имеет форму тонкостенного цилиндра, боковая поверхность которого гофрирована с целью увеличения его прогиба под действием давления. При большой глубине вытяжки гофр сильфона становится идентичным батарее последовательно соединенных мембранных коробок.

     Трубчатая пружина (рис. 2, г) представляет собой тонкостенную трубку, ось которой искривлена по дуге окружности. В отличие от предыдущего трубчатая пружина под действием давления разгибается, а ее свободный конец перемещается по дуге.

     При преобразовании давления в перемещение  основными метрологическими характеристиками УЧЭ являются: упругая характеристика, нелинейность упругой характеристики, чувствительность и жесткость, гистерезис и постоянство упругой характеристики.

     2.2 Тензометрический преобразователь

     Измерение давления спинномозговой жидкости при  помощи тензорезистивного датчика  основывается на воздействии жидкости на чувствительный элемент (мембрану). По деформации мембраны можно судить об изменении активного электросопротивления (тензоэффект). Измерение проводят во время введения пункционной иглы и извлечении мандрена. Жидкость, поступающая по каналу иглы, оказывает воздействие на преобразователь, в следствии чего можно получить результат измерения давления.

     Тензорезистивный преобразователь давления, содержащий корпус с установленной в нем мембраной, связанной посредством штока с жестко защемленной с двух концов балкой, на которой размещены тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, отличающийся тем, что в нем тензорезисторы, входящие в смежные плечи мостовой схемы, расположены вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4 - 1,7 раза больше базы тензорезисторов.

     На  рисунке 3 представлен тензометрический преобразователь давления. Он содержит мембрану, балку длиной L, корпус, шток, тензорезисторы с базой.

     Датчик  давления содержит мембрану, связанную  с балкой, которая жестко защемлена  с двух концов в корпусе. Центр  мембраны соединен с балкой посредством  штока. Вдоль балки в ее центральной  части на противоположных сторонах симметрично установлены параллельно  друг другу тензорезисторы, соединенные  попарно в противоположные плечи  измерительной мостовой схемы. Длина  балки в 1,4-1,7 раза больше базы тензорезисторов.

     При подаче давления на мембрану она изгибается. Прогиб ее центра посредством штока  передается центру балки, вызывая ее изгиб. При изгибе балки на ее противоположных поверхностях возникает деформация, которая измеряется мостовой схемой, состоящей из тензорезисторов.

     

       
 
 
 
 

                   

                       а                                                                          б                                                        

     Рисунок 3 – Тензометрический датчик давления: а – общий вид: 1 – мембрана; 2 – балка; 3 – корпус; 4 – шток; 5 – тензорезисторы; б – разрез

     Пребразователь давления содержит мембрану из стали толщиной 0,22 мм с рабочим диаметром 8 мм. Балка длиной 3 мм, толщиной 0,05 мм и шириной 3 мм выполнена из окисленного ковара и приварена лазером к корпусу из ковара. Центр балки соединен с центром мембраны посредством штока диаметром 0,5 мм и длиной 2 мм, выполненного из ковара. Вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах симметрично закреплены с помощью ситаллоцемента параллельно друг другу четыре тензорезистора 5 из нитевидных кристаллов кремния длиной 2 мм. Длина балки в 1,5 раза больше базы тензорезисторов.

     Тензорезисторы, расположенные на верхней и нижней сторонах балки, попарно соединены  в смежные плечи мостовой схемы. При подаче давления на мембрану балка  изгибается, верхние тензорезисторы испытывают деформацию сжатия, а нижние - равную ей деформацию растяжения. Однако существуют также емкостные методы измерения давления.

     2.3 Емкостной преобразователь

     Емкостные преобразователи используют метод  изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между  обкладками. Известны керамические или  кремниевые емкостные первичные  преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой  металлической мембраны. При изменении  давления мембрана с электродом деформируется  и происходит изменение емкости. 

     В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено  маслом или другой органической жидкостью.

     Емкостный датчик пульсаций давления содержит не менее четырех диэлектрических  пленок, одна из которых перфорирована. В его состав также входит основание, на верхней поверхности которого из металлической фольги выполнены  обкладка конденсатора с выводом  и боковой экран, мембрану, на обе  поверхности которой нанесены диэлектрические  пленки. Причем внутренняя полость  датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие. На верхнюю поверхность обкладки конденсатора и бокового экрана нанесена третья диэлектрическая пленка, четвертая  перфорированная диэлектрическая  пленка расположена между обкладкой  конденсатора и мембраной, выполненной  из металлической пленки. При этом толщина четвертой диэлектрической  пленки больше толщины металлической  пленки мембраны вместе с толщинами  нанесенных на нее пятой и шестой диэлектрических пленок в 4 - 8 раз.

        
 
 
 
 

       а                                                     б

     Рисунок 4 - Емкостной преобразователь давления: а – конструкция датчика: 1 – основной экран, выполненный из ферромагнитного материала; 2, 3 – первая и вторая диэлектрические пленки; 6 – третья диэлектрическая пленка; 8 – четвертая диэлектрическая пленка; 9 – мембрана из металлической фольги; 10, 11 – пятая и шестая диэлектрические пленки; б – вид датчика в сечении: 4 – Обкладки конденсатора; 5 – боковой экран; 7 – капиллярное отверстие;

     При изменении давления ΔP изменяется расстояние между обкладками конденсатора и  мембраной. В результате прогиба  мембраны изменяется начальная емкость C, приращение емкости ΔC и относительное  изменение емкости ΔC/C. Напряжение поляризации подают на мембрану. Напряжение на выходе датчика, пропорциональное приращению ΔC/C и напряжению поляризации, измеряют между обкладками конденсатора и  мембраной. 

     2.4 Индуктивные и трансформаторные (взаимоиндуктивные) электромагнитные  преобразователи 

     Индуктивными  преобразователями называются преобразователи, преобразующие перемещение в  изменение индуктивности магнитной  цепи. Принцип действия преобразователя заключается в следующем (рис. 5). Преобразователь содержит магнитопроводы 1 и 2 с катушками Z1 и Z2, между которыми помещен жесткий центр 3 мембраны. Катушки питаются напряжением переменного тока и включены в индуктивный мост, два дополнительных плеча которого составляют постоянные сопротивления Z3 и Z4. В равновесном положении мост сбалансирован и сила тока Iк в диагонали моста равна нулю. При воздействии на мембрану давления жесткий центр сместится, что приведет к увеличению магнитного сопротивления магнитопровода 1 и уменьшению сопротивления магнитопровода 2, а вместе с тем и их полных электрических сопротивлений Z1 и Z2. В результате разбаланса моста по диагонали последнего потечет ток Iк, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

     

     Рисунок 5 - Принцип действия индуктивного преобразователя  

     По  принципу действия индуктивные преобразователи  пригодны для измерения любого вида давления: абсолютного, избыточного  и разности давлений. При этом достоинством индуктивных преобразователей является отсутствие механических устройств для вывода выходного сигнала УЧЭ к промежуточным преобразователям, что обусловливает отсутствие потерь на трение в передаточном механизме. Поэтому индуктивные преобразователи пригодны для измерения небольших разностей давлений при высоком статическом давлении с хорошими динамическими характеристиками.