авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка и исследование автоматизированной установки для проверки медицинских хлор-серебряных электродов и медицинских наноэлектродов для съема поверхностных

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГРЕХОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕРКИ МЕДИЦИНСКИХ ХЛОР-СЕРЕБРЯНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ И МЕДИЦИНСКИХ НАНОЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СЪЕМА ПОВЕРХНОСТНЫХ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ЧЕЛОВЕКА

специальность: 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск - 2008

Работа выполнена в НИИ интроскопии при Томском политехническом университете

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Авдеева Диана Константиновна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Агафонников Виктор Филиппович

- кандидат технических наук

Артюхина Лидия Викторовна

Ведущая организация: - Омский государственный технический

университет (ОмГТУ), г. Омск

Защита состоится 23 декабря 2008 г. в 1500 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 в Томском политехническом университете по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, 7, библиотека НИИ интроскопии.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан __ ноября 2008 года.

Ученый секретарь совета,

к.т.н., доцент Винокуров Б.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перед российскими производителями медицинской техники и средств диагностики в настоящее время остро стоит задача создания конкурентоспособной отечественной продукции, превышающей технико-экономические и потребительские показатели аналогичной продукции зарубежного производства.

Все более широко в медицине применяются электрофизиологические методы исследования функционального состояния организма человека, как в целом, так и отдельных органов.

Одной из наиболее распространенных методик оценки состояния биообъекта и его параметров в биологии и медицине является измерение его электрических характеристик: биопотенциалов, биотоков, либо проводимостей тканей, органов, жидкостей биологического происхождения – биоэлектролитов.

С этой целью в качестве измерительных преобразователей широко используются биоэлектрические электроды – устройства съёма биопотенциалов, имеющие поверхность, контактирующую с биологическим объектом, и выходные элементы.

К настоящему времени создано большое количество биоэлектрических электродов, отличающихся физическими принципами работы, конструктивными решениями, техническими характеристиками, необходимостью использования дополнительных приемов и средств.

Независимо от типа биоэлектродов в них формируется при изготовлении либо при эксплуатации переход «электронная-ионная проводимость».

Достоверность результатов электрофизиологического исследования во многом зависит от качества электродов, их физико-химических свойств. Электроды контактируют с поверхностью тела человека и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и измерительным устройством. В настоящее время для чрескожной регистрации биопотенциалов используют электроды из различных материалов (нержавеющая сталь, нихром, серебро, золото, углеграфит и т.д.).

Качество и достоверность регистрируемой информации также зависят от параметров электродов: электродного потенциала, напряжения поляризации, напряжения шума, полного электродного сопротивления, геометрических размеров электродов и т.д.

Биоэлектрические сигналы, регистрируемые при диагностике различных органов и тканей человека, занимают диапазон от единиц нановольт до десятков милливольт по амплитуде и от 0 Гц до 20 кГц по частоте. Эти обстоятельства определяют довольно жесткие требования к электродам по минимизации потерь полезного сигнала, которые необходимо учитывать при разработке электродов.

Естественно, что проблема разработки электродов с более высокими метрологическими характеристиками связана с необходимостью создания современного испытательного оборудования для проверки параметров электродов.

Таким образом, необходимость улучшения метрологических параметров электродов приводит к необходимости создания более совершенной испытательной аппаратуры для их проверки в процессе научных исследований и для производства при проведении приемо-сдаточных и периодических испытаний электродов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ НИИ интроскопии ГОУ ВПО Томский политехнический университет, а также по проектам:

  1. «Проведение опытно-конструкторских, технологических и экспериментальных работ по созданию промышленной технологии массового производства одноразовых хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики», программа Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы», 2005 г.
  2. Грант ТПУ для молодых ученых и аспирантов, 2005 г.
  3. «Разработка автоматизированных средств измерения и контроля метрологических характеристик медицинских одноразовых ЭКГ-электродов на базе пористой керамики», грант Администрации Томской области на 2005-2006 гг.
  4. Проект РФФИ № 08-08-99069 «Разработка научных основ формирования малошумящего высокостабильного неполяризующегося перехода «электронная-ионная проводимость» на базе пористой керамики», 2008 г.

Цель работы. Разработка автоматизированной аппаратуры для проверки метрологических характеристик медицинских электродов, изготовленных на основе различных технологий, создание и экспериментальные исследования медицинских наноэлектродов, разработанных на основе современных нанотехнологий и наноматериалов, исследование и физическое моделирование электрических процессов, протекающих в электродах.

Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе в связи с поставленной целью, являются следующие:

  • Обобщение имеющихся типов медицинских электродов, технологий их изготовления и уровня метрологического обеспечения данной проблемы.
  • Разработка метрологического оборудования с повышенной разрешающей способностью для оценки собственной электрической активности перехода «электронная-ионная проводимость».
  • Создание и экспериментальные исследования медицинских наноэлектродов, основанных на применении современных нанотехнологий и наноматериалов, с более высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
  • Экспериментальные исследования медицинских электродов, созданных на основе различных технологий.
  • Разработка физической модели электрода на основании проведенных экспериментальных исследований.

Методы исследований теоретико-экспериментальные, основанные на общих принципах построения электронной измерительной и медицинской аппаратуры, прикладной и вычислительной математике, прикладных программ для персонального компьютера, технологиях математического и физического моделирования и проведения экспериментов.

Достоверность и обоснованность. Все выводы, полученные в результате теоретических исследований и математического моделирования, проверены и подтверждены путем экспериментальных исследований.

Научная новизна:

  • Впервые разработано и успешно прошло испытания в Томском центре стандартизации и метрологии автоматизированное метрологическое оборудование для проверки медицинских электродов по ГОСТ 25995-83 с повышенной разрешающей способностью, позволяющее измерять и оценивать размах собственного дрейфа напряжения электродов и собственного напряжения шума электродов порядка единиц нановольт на фоне шумов измерительной аппаратуры микровольтового уровня.
  • Впервые получены результаты оценки собственного дрейфа и собственного напряжения шума электродов, изготовленных с помощью различных технологий, в частотных диапазонах в соответствии с ГОСТ 25995-83.
  • Впервые разработаны и экспериментально исследованы лабораторные образцы медицинских наноэлектродов, созданных на основе современных нанотехнологий и наноматериалов.
  • Экспериментально доказано, что хлор-серебряные электроды на базе пористой керамики имеют значительно меньшие шумы по сравнению с хлор-серебряными электродами зарубежного производства, наименьший уровень шумов имеют наноэлектроды.
  • На основании сравнительных экспериментальных исследований разработана физическая модель хлор-серебряного электрода на базе пористой керамики.

Практическая ценность и внедрение:

  • Практическая ценность исследований состоит в разработке принципов построения информационно-измерительной аппаратуры для оценки собственных шумов первичного преобразователя (электрода), которые могут быть использованы и в других областях измерительной техники для оценки шумов радиокомпонентов (микросхем, резисторов, конденсаторов), а также различных измерительных преобразователей с целью оценки качества технологии их изготовления.
  • Созданы первые лабораторные образцы медицинских наноэлектродов, метрологические параметры которых на порядок или в несколько раз превышают параметры существующих электродов.

Полученные результаты внедрены в производство медицинских хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики в НИИ интроскопии ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

Разработанные методы исследования собственных шумов измерительных преобразователей внедрены в учебный курс «Преобразование измерительных сигналов» для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» в ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

Личный вклад автора. Основные научные теоретические и экспериментальные исследования, макетирование выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века». – Сургут, 2003; 10-ой Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». – Томск, 2004; 22-ой Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами». – Челябинск, 2004; Открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века». – Сургут, 2004; Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии». – Новочеркасск, 2006; Международной научно-практической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». – Томск, 2008; Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в медицине». – Китай, Пекин, 2008.

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 10 опубликованных статьях и докладах [1-10], в описании заявки на патент на изобретение (приоритетная справка) [11], одна статья принята к печати в журнал «Медицинская техника».

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 77 библиографических ссылок, содержит 124 страницы основного машинописного текста, 41 рисунок и 5 таблиц.

Положения, выносимые на защиту:

  • Способ измерения и оценки размаха собственных шумов медицинских хлор-серебряных электродов нановольтового уровня на фоне шумов измерительной аппаратуры микровольтового уровня.
  • Экспериментально доказано, что наноэлектроды имеют на порядок меньше дрейф электродного потенциала на постоянном токе, в несколько раз меньший импеданс, уровень собственного дрейфа напряжения и напряжения шума, имеют значительно меньшую емкость, степень поляризации при воздействии постоянным током по сравнению с известными хлор-серебряными электродами отечественного и зарубежного производства.
  • Физическая модель электрода, которая отражает электрическую активность перехода «электронная-ионная проводимость» в зависимости от количества частиц серебра в порах керамической диафрагмы и их размера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и обозначены задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению вопросов электрофизиологии, электрическому проявлению жизнедеятельности клеток, тканей и органов, теории возникновения биопотенциалов. В ней также проведен обзор существующих электродов для отведения биопотенциалов и технологий из изготовления, приведена их классификация по различным признакам, рассмотрены достоинства и недостатки разновидностей электродов, основные метрологические характеристики электродов и существующие методы испытаний.

Во второй главе рассмотрены основные эксплуатационные характеристики и артефакты электродов и определены основные требования к электродам, составлены эквивалентные схемы кожно-электродного контакта различных типов электродов, приведена общая схема расчета эквивалентной схемы электродной цепи для отведения биопотенциалов.

В третьей главе дано описание автоматизированной установки для метрологической проверки хлор-серебряных электродов. Приведены описание и принцип работы: назначение, область применения, технические характеристики, описание структурной схемы, описание режимов работы, описание программного обеспечения.

Установка для проверки хлор-серебряных электродов автоматизированная УПЭ-2 предназначена для измерений напряжения постоянного и переменного тока на электродной ячейке и определения технических параметров хлор-серебряных электродов. Установка позволяет измерять основные параметры электродов по ГОСТ 25995-83: разность электродных потенциалов; дрейф разности электродных потенциалов; напряжение шума; шум движения (электромеханический шум); полное сопротивление электродов; напряжение поляризации.

В установке предусмотрено углубленное исследование собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума медицинских электродов в различных частотных диапазонах. Погрешность вычислений находится в пределах ± 1,3·10-8 %, что позволяет оценивать собственный дрейф напряжения и напряжение шума электродов значением порядка единиц нВ.

Установка может быть применена для испытаний хлор-серебряных электродов в различных отраслях промышленности.

Установка является средством измерений по ГОСТ 22261-94 и представляет собой прибор настольного типа (рис. 1).

Конструктивно состоит из двух основных частей:

  • измерительный блок, включающий модуль сбора данных (МСД) и выносную экранированную камеру;
  • персональный компьютер.

 Общий вид установки для проверки-0

Рис. 1. Общий вид установки для проверки электродов УПЭ-2

(1– выносная экранированная камера; 2 – измерительный блок; 3 – ПК)

Функциональ

 ная схема установки приведена на рис. 2. -1

ная схема установки приведена на рис. 2.

Рис. 2. 1 – выносная экранированная камера; 2 – измерительный блок; 3 – персональный компьютер

Проверяемые электроды Э1 и Э2 в совокупности образуют электродную ячейку (ЭЯ), представляющую собой систему «электрод-электролит-электрод», которая помещается в выносную экранированную камеру для защиты от электромагнитных помех.

Измерительный блок (2) представляет собой модуль сбора данных (МСД), которые передаются в персональный компьютер (3) и затем обрабатываются с помощью специально разработанного математического и программного обеспечения.

Основные функции автоматизации и обработки результатов измерений в установке осуществляются при помощи персонального компьютера, который производит сбор данных через каналы АЦП модуля МСД и переключение режимов работы установки.

В зависимости от измеряемого параметра электродов и заданного режима работы МСД изменяет конфигурацию измерительного канала (ИК). Сигналы, формируемые измерительным каналом, поступают на плату сбора данных, которая может усиливать сигнал встроенным усилителем, и по USB интерфейсу передаются на ПК.

В персональном компьютере по соответствующей программе результаты измерений обрабатываются. Предусмотрена возможность автоматического создания протокола испытаний.

Режимы работы установки следующие: измерение разности электродных потенциалов U (Тест 1, Тест 4); измерение дрейфа разности электродных потенциалов (дрейфа напряжения электродов) U (Тест 2); измерение напряжения шума электродов UT (Тест 3); измерение напряжения электромеханического шума US (Тест 2); измерение полного сопротивления электродов Z (Тест 5); измерение напряжения поляризации электродов UP (Тест 6); измерение собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума электродов.

Измерение собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума электродов: в данном случае измерение размаха собственных шумов S медицинских электродов для съема поверхностных биопотенциалов проводится в присутствии шума N измерительной системы, значительно превышающего измеряемый, т.е. при отношении S/N< 1,0.

Предварительные исследования суммарного шума электродной ячейки, состоящей из слабополяризующихся хлор-серебряных электродов на базе пористой керамики, и измерительной аппаратуры, шума измерительной аппаратуры, измеренного при закороченном входе, показали, что полученные обе случайные реализации неокрашены, близки к нормальному распределению, при этом суммарный шум статистически незначимо превышает уровень шума системы с короткозамкнутым входом.

Таким образом, оценка собственных шумов электрода в виде разности статистических параметров суммарного шума с электродной ячейкой и шума измерительной аппаратуры при закороченном входе является несостоятельной.

Однако при вычислении значений энергий и мощностей шума в различных частотных диапазонах получены незначительные, но устойчивые отклонения значений энергий и мощностей для реализаций шума одной электродной ячейки, так и для различных электродных ячеек, по отношению к шуму измерительной аппаратуры при закороченном входе.

Для оценки собственных шумов электродов предложена следующая информационно-измерительная технология:



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.