CN204133442U - 桡动脉触力传感器检测装置及检测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种桡动脉触力传感器检测装置，在固定支架上设置的模态激振器，所述模态激振器上设有带传感器推杆，所述带传感器推杆与一个测试架之间设置有第三方计量传感器和被测传感器，所述测试架与固定在所述支架上的过压释放器连接，所述过压释放器通过旋紧固定用丝杆和旋柄固定在所述固定支架上。既能产生高精度的动态标准信号的机械力，又能模拟中医15种脉图波形输出的可用于桡动脉触力传感器和脉象仪动态性能检测的试验装置，从而填补了脉象仪和桡动脉传感器无动态性能检测手段的缺失。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器检测装置，具体涉及一种桡动脉触力传感器检测装置，本实用新型还涉及一种桡动脉触力传感器检测电路。
背景技术
桡动脉脉搏波触力传感器起步于20世纪50年代，最早用于桡动脉采集的传感器是英国人Marey制作的杠杆式传感器。1979年上海市医疗器械检测所的学者研制出了——单悬臂梁的桡动脉触力传感器，之后得到了广泛应用。随着科技的不断进步和中医现代化研究的快速发展，带有桡动脉触力传感器的诊断仪器已经从科研走向了临床，由实验室手工制作走向了自动化生产。除脉象仪之外的其它不是以中医传统医理为基础的桡动脉采集设备如：中心动脉压检测仪、无创血压监测仪、脉搏波传导时间检测仪等等也发展迅速，据初步统计这类以桡动脉脉搏波触力传感器为核心的采集设备，年球销售近百万台。
在基于传统中医理论的桡动脉脉搏采集，所用的桡动脉信号采集传感器种类繁多，性能各异，根据其工作原理可分为四种：一种是通过感受脉动处力的变化而进行数据采集的触力传感器；另一种则是通过感受脉管容积的变化来描述脉象的光电传感器；第三种即传声器，是利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动，即所谓听信号；第四种是超声多普勒检测技术。其中触力式传感器使用最为广泛基础最好，在已取得医疗器械注册许可的脉象仪中，使用的均为触力传感器。基于非中医传统医学发展起来的血管内压力和波形测量，这类传感器共有三种：有创血管内留置的有创传感器、无创压力传感器和光电类传感器。在桡动脉处进行的无创体表血压传感技术所用的传感器，与脉象仪桡动脉脉搏波采集所用的传感器是实质性等同的，也是触力传感器。然而，针对脉搏波触力传感器的检测方法国内外制造商各不相同，检测的科学性和可重复性不强，专业的、精准的、可动态模拟的、可直接检测脉搏波触力传感器频响的检测设备，检测设备依然缺失。一方面，当脉象仪缺失了动态性能的考核时，在产品注册检验中只能考核其静态性能指标，造成了脉象仪实际性能与临床客观的需求之间可能存有较大差异，诊断仪的有效性受到了挑战。另一方面，随着脉搏波采样诊断仪器产业化的不断扩大，作为关键部件桡动脉脉搏波触力传感器的疲劳性能也越来越收到临床关注，所用的脉象仪等诊断设备在使用了若干年后其诊断精度还能保持吗？若需要调换脉搏波触力传感器，产品整机还得重新校准。如果有了桡动脉脉搏波传感器的动态性能检测设备，同时又能建立一个脉搏波传感器的标准，这样就能对传感器统一质量，可在不重新调整整机的情况直接完成传感器的更换。同类产品中有创血管内血压传感器，就有美国标准ANSI/AAMI BP22《血压传感器Blood pressuretransducers》，中国也制定了该传感器的行业标准YY0781。
综上所述，我们向国际标准化组织ISO/TC249提出了脉搏波触力传感器国际标准提案，该提案包括主要技术在性能要求和试验方法，并成功获得国际标准的立项(ISO19614)。同时我们也为此研发了一种既能检测桡动脉脉搏波触力传感器的静态、动态性能，又能检测桡动脉脉搏波触力传感器疲劳性和重复性的检测装置，该装置可用于脉搏传感器(或含有脉搏传感器的脉象仪等辅助诊断仪器)的检测。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种桡动脉触力传感器检测装置，它可以可用于脉搏传感器(或含有脉搏传感器的脉象仪等辅助诊断仪器)的检测。
为了解决以上技术问题，本实用新型提供了一种桡动脉触力传感器检测装置，在固定支架上设置的模态激振器，所述模态激振器上设有带传感器推杆，所述带传感器推杆与一个测试架之间设置有第三方计量传感器和被测传感器，所述测试架与固定在所述支架上的过压释放器连接，所述过压释放器通过旋紧固定用丝杆和旋柄固定在所述固定支架上。
优选地，本实用新型的桡动脉触力传感器检测装置，所述过压释放器包括丝筒套、弹簧和预力调整螺母。
优选地，本实用新型的桡动脉触力传感器检测装置，所述带传感器推杆中设有高精度触力反馈传感器。
本实用新型还提供了一种桡动脉触力传感器检测电路，包括PC主机，所述PC主机与所述基准波形产生模块连接，所述基准波形产生模块与误差放大器模块和幅度调节器模块连接，所述误差放大器模块与模态激振器驱动模块和压力反馈取样放大模块连接。
优选地，本实用新型的桡动脉触力传感器检测电路，所述幅度调节器模块与显示屏连接。
优选地，本实用新型的桡动脉触力传感器检测电路，所述模态激振器驱动模块为直流功放单元，用来推动模态激振器共工作，最高频率响应为10kHz。
优选地，本实用新型的桡动脉触力传感器检测电路，所述PC主机与所述基准波形产生模块通过USB通讯。
本实用新型的桡动脉触力传感器检测装置和检测电路既能产生高精度的动态标准信号的机械力，又能模拟中医15种脉图波形输出的可用于桡动脉触力传感器和脉象仪动态性能检测的试验装置，从而填补了脉象仪和桡动脉传感器无动态性能检测手段的缺失。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1是检测设备输出不同的静态机械力，同时在不同的静态机械力上叠加动态机械力，输出的机械触力信号的示意图；
图2是脉图的基本形态示意图；
图3是两个不同时间常数下采集的同一桡动脉脉象信号对照示意图；
图4是本实用新型桡动脉触力传感器检测装置的核心结构组成示意图；
图5是本实用新型的控制电路工作原理示意图；
图6是电动式模态激振器的示意图；
图7是反馈用触力传感器的示意图；
图8是含有触力传感器顶杆的示意图；
图9是本实用新型的桡动脉触力传感器检测装置的整体示意图；
图10是本实用新型的第一实验示意图；
图11是本实用新型的第二实验示意图；
图12是本实用新型的第三实验示意图；
图13是本实用新型的第四实验示意图；
图14是现有采用谐振近似计算法进行计算的原理示意图。
具体实施方式
1.临床要求
1.1静态压和动态压的范围
我们将脉象仪采集人体脉搏信号时施加于被采集者的的外部压力称为静态压，将采集到的被采集者的脉搏跳动信号称为动态压。
检测设备需输出不同的静态机械力，同时在不同的静态机械力上叠加动态机械力，输出的机械触力信号如图1所示。为了符合临床中医的习惯，本装置中力的单位采用牛顿(N)的同时也用了克(g)。脉象传感器在采集桡动脉的脉搏信号时，必须遵循中医切脉时的举、按、寻手法。中医把脉是需要向下按压的，既在不同的“按压力”下感知出不同的桡动脉(寸口脉)的跳动幅度。用工程技术的语言来描述即为，在外部分别施加不同的静压力条件下，采集桡动脉的动态波形。
若触力传感器有效触力面能覆盖单部桡动脉跳动，那么动态触力与静态触力的范围如下表一：
表一
1.2桡动脉的脉象波(脉图或称为脉搏波)
在长期的脉象客观化研究中，已积累了大量的有共性的脉搏数据样本数据，其中具有初步共性的代表典型性的脉图波形共15种，作为中医诊断脉象的基本依据。带辅助诊断功能的脉象仪，其可辅助分析诊断的桡动脉脉象信号也都包含这15种：浮脉、沉脉、迟脉、数脉、缓脉、疾脉、结脉、代脉、促脉、虚脉、弦脉、紧脉、滑脉、涩脉、平脉。脉图的基本形态如图2所示。将这些在中医临床上已基本达成共识的桡动脉脉搏波，制作成一个临床脉象模拟信号机械力发生装置，这个装置就能对脉象仪辅助分析软件脉名判断的准确性作出一个客观的评价。这个模拟脉象信号发生装置，就犹如模拟病症心电的发生装置。
如图2所示，其中，各附图标记的含义为：h1主波幅度，h2主波峡幅度，h3重波前波幅度，h4降中峡幅度，h5重搏波幅度，t1对应于左心室的快速射血期，t4对应于左心室的收缩期，t5对应于左心室的舒张期，t为一个完整的脉动周期。
2系统设计
该检测系统是由可控的机械触力源、反馈用触力传感器、控制电路、幅度调节器和软件控制等组成了一个闭环实时动态调整系统。其输入的是由标准信号发生器输入锯齿波信号、正弦波信号、方波，以及与PC接口通讯的模拟人体脉搏跳动的模拟脉搏波电信号，输出的是触力信号。
检测系统产生的各种触力信号如下表二所示：
表二
锯齿波触力信号，用于检测脉率的准确性，以及传感器或者脉象仪的动态灵敏度的准确性。这是最近召开的脉象仪国际标准讨论的初步决定，采用上升时间和下降时间比为1∶5的锯齿波，能较好的近似脉象信号，同时也是标准信号发生器能产生的常用信号。
正弦波触力信号，用于检测触力传感器和脉象仪的频响特性，之所以选择正弦波测试传感器的频响是依据了ANSI/AAMI BP22《血压传感器Blood pressure transducers》，该标准中的传感器频响规定为：正弦变化的压力输入时，输出幅度比值的变化。但该标准没有给出直接检测频响的方法，而是采用了近似谐振计算法，对于谐振计算法本文之后章节将详细讨论。
方波触力信号：方波用于检测传感器的时间常数，时间常数值是脉象阻容耦合放大器中的一个关键指标，时间常数将会影响脉象信号中低频分量的衰减程度和相移，图3是两个不同时间常数下采集的同一桡动脉脉象信号的对照。
2.1硬件结构部分
鉴于以上分析，我们提出了一种脉搏触力传感器动态检测的装置，其核心结构组成示意图如图4所示。其中：1.固定支架、2.模态激振器、3.带传感器推杆、4.第三方可计量传感器、5.被测传感器、6.测试架、7.过压释放器、8.旋紧固定用丝杆、9.旋柄。其中7.过压释放器的组成为：7.1丝筒套、7.2弹簧、7.3预力调整螺母。
本实用新型的桡动脉触力传感器检测装置，在固定支架1上设置模态激振器2，所述模态激振器2上设有带传感器推杆3，所述带传感器推杆3与一个测试架6之间设置有第三方计量传感器4和被测传感器5，所述测试架6与固定在所述支架1上的过压释放器7连接，所述过压释放器7通过旋紧固定用丝杆8和旋柄9固定在所述固定支架1上。所述过压释放器7包括丝筒套7.1、弹簧7.2和预力调整螺母7.3。所述带传感器推杆3中设有高精度触力反馈传感器。
2.1.1动态力的产生
模态激振器2产生动态线性推动力，传递至带传感器推杆3，由推杆3将动态力依次传递给第三方可计量传感器4和被测传感器5，此动态触力波的形态和幅度，由施加给模态激振器2的电流决定。
2.1.2静态力的产生
静态力可由两个方面产生，在模态激振器2上施加直流电，即可产生静态压；同时也可由测试架6旋紧固定用丝杆8产生静态力，通过改变模态激振器2上的直流电压以及通过旋柄9的调整均可改变静态力的大小。
2.1.3检测用组合机械触力的产生
检测用机械触力是在静态力的基础上叠加动态力的组合输出，该装置在各单元电路的控制下，通过施加给模态激振器2的电信号，再结合由测试架6旋紧固定用丝杆8产生的静压力，即可产生脉搏触力传感器检测所需要的机械触力信号。正弦波、锯齿波和方波来源于外加的标准信号发生器，模拟脉搏波来源于与设备连接的PC机。
2.1.4过压释放器(卸荷)
为了防止模态激振器2，由意外原因产生的推杆3超出预计位移和过压力而损坏被测传感器5和第三方可计量传感器4，而设置了本部件。通过调整预力调整螺母，让弹簧形成一个预形变，当丝筒套在正常检测时，也就是检测装置产生的测试力在5000N以下时，丝筒套不发生位移，当发生检测装置输出力脱缰的意外时，模态激振器的推杆会伸出推力会加大，此时过压释放器受到的力将大于弹簧预形变时的压力阈值，丝筒套将发生位移，从而保护了被测传感器和校准用传感器。
2.2硬件电路部分
控制电路工作原理：电路框图如图5所示。
本实用新型还提供了一种桡动脉触力传感器检测电路，包括PC主机，所述PC主机与所述基准波形产生模块连接，所述基准波形产生模块与误差放大器模块和幅度调节器模块连接，所述误差放大器模块与模态激振器驱动模块和压力反馈取样放大模块连接。其中，所述幅度调节器模块与显示屏连接。所述模态激振器驱动模块为直流功放单元，用来推动模态激振器共工作，最高频率响应为10kHz。所述PC主机与所述基准波形产生模块通过USB通讯。
本装置是一个闭环的触力发生系统，其中的力发生装置是一个模态激振器，在系统推杆中还串接有高精度触力反馈传感器，该触力反馈传感器反馈的信号被取样放大后，与基准波形信号进行动态比较，最后经误差放大后驱动模态激振器。以上各单元形成了一个闭环的实时动态调整系统。
2.2.1电动式模态激振器
电动式模态激振器是将电能转变为机械能对外提供力的一种装置，其外观如图6所示。
2.2.2触力反馈传感器
反馈用触力传感器是这个检测装置的一个核心部件，我们订制了一款Measurement Specialties公司的测量用触力传感器ELFF-12K，该器件的安装形式是双头螺纹结构，可以串接在推杆顶部，使推杆成为带传感器的一体化推杆，这种连接方式还具有更换方便的特点。订制的触力传感器的工艺采用了玻璃不锈钢和硅片的微溶技术，克服了传统树脂类黏胶剂在应变片黏贴时容易产生的老化和失准问题，且分辨率高使用寿命长。传感器内的应变片采用了一体化集成工艺，集成了零位调整、温度补偿、灵敏度调整和放大等多种调整补偿电路，是一个非常适合用于触力检测的传感器。反馈用触力传感器的示意图如图7所示，含有触力传感器顶杆的示意图见图8所示(模态激振器的推杆上安装了反馈用触力传感器)。
2.2.3基准波形单元
该单元是一个接受外来信号的单元，本身并不产生信号，本单元的信号来源于外加信号发生器的标准信号，以及由上位机(PC)传输来的模拟脉搏波(脉象)信号。本单元有输入保护电路，以防止输入电压过高时对测试装置造成损坏。
2.2.4误差放大器单元
这也是本装置的一个核心单元。此单元将安装在推杆上的传感器反馈信号与基准波性信号进行实时动态比较，将比较后的误差信号进行放大后，送至模态激振器的驱动电路单元。
2.2.5幅度调节器
幅度调节器是由两个独立的调节按键组成，一个按键调整输出的静态力的大小，另一个按键调整输出动态力的大小。显示屏的作用是显示所设定的值。
2.2.6USB隔离通讯单元
此单元完成下位单片机MCU与上位PC机之间的USB通讯。因PC机的电源环境比较恶劣，通常会带有较大的干扰，为了防止PC机的干扰影响本检测装置的运行，本检测装置的PC通讯接口单元采用了磁隔离传输技术，也就是检测装置的主机与PC机之间相互悬浮没有“共地”的连接。
2.2.7模态激振器驱动单元
本单元为直流功放单元，用来推动模态激振器共工作，最高频率响应为10kHz。为了防止因意外产生的输出力过大而损坏被测传感器和第三方校准传感器，单元中有电流保护功能，此电流被限定在使输出的力不大于10000N。
2.3检测装置的关键环节
作为脉搏触力传感器的检测装置，从静态力输出和动态力输出角度看它是一台标准力输出源，这台检测设备的可重复性、可校准特性的保证将是装置的关键环节所在。
可重复性：从机械单元分析，本装置的力发生单元是电磁元件，电磁元件为无机械磨损元件，且工作于微位移状态，其它的机械结构也不存在摩擦、磨损和疲劳。从电路单元分析，装置所产生的触力都是基于同一个基准信号，且该基准信号由外加的信号发生器产生，同时系统采用了闭环设计可实时进行误差校正。可计量性：检测装置中串接有一个第三方的校准力测量仪表，此仪表可进行计量。装置的整体示意图见图9。
3检测装置的试验验证
以下所有波形参数，均在第三方校准用力测量仪表的模拟输出端用数字示波器测得，幅度值为100mV/g。
3.1如图10所示，频率0.05Hz正弦波设定的静态力幅度150g、设定的动态力幅度20g，参数值如下表三所示。
表三
3.2如图11所示，频率40Hz正弦波、静态力幅度150g、动态力幅度20g，参数值如下表四所示。
表四
3.3如图12所示，频率1Hz锯齿波、静态力幅度100g、动态力幅度40g，参数值如下表五所示。
表五
3.4如图13所示，h1＝20g、h2＝6.8g、h3＝Sg、h4＝4g、h5＝2g、pb＝150g、t＝0.75s的模拟平脉，参数值如下表六所示。
表六
对于平脉波形的试验验证，验证的是输入的平脉信号和检测装置输出的平脉信号间的不一致性。实际证明临床医学诊断可接受的误差范围将远远宽泛于本装置的误差，以平脉的h1为例，其判定范围非常宽是10-30g。
4讨论
如图14所示，在本装置出现之前，医疗器械的机械量传感器(压强和触力)的频响检测，由于缺乏正弦波的机械量发生器，都是采用谐振近似计算法进行计算，试验方法是给传感器一个上升沿陡峭的冲击力，对传感器上升沿后的阻尼振荡波进行计算，以得出传感器的频响参数，标准ANSI/AAMI BP22《血压传感器Blood pressure transducers》中给出的试验图和计算公式为：
F15＝(0.208514)(Fn)(2(529D4-529D2+100)0.5-46D2+23)0.5
很明显，计算法试验过程繁杂，且需要对阻尼振荡的波形参数进行人工测量，测量误差较大。本装置采用的正弦波触力发生法直接检测桡动脉传感器和脉象仪的频响，能有效克服计算法的缺陷。
本装置在软件的配合下虽能模拟15种典型脉象，但这15种模拟脉象波形的输出参数还需要中医临床专家和中医学术届的进一步认可，本装置只是提供了这样的一个客观化的可将模拟脉象输出成力的功能。现阶段此功能仅可检测脉象仪辅助诊断功能的一致性和符合性，是脉象仪生产企业和研究单位所必须的(企业自定输入波形为标准的前提下)，此功能对于医疗器械的第三方检测机构而言，并不是必须的。要让这个模拟脉象触力信号成为检测脉象仪辅助诊断结论准确性与否的标准，关键在于输入的典型模拟脉象参数的数值，尤其是各参数的误差范围和各参数间的组合误差范围的确定。这些界限值的范围，不是我们这台检测装置所能解决的，这需要中医学术界在临床总结后，给出一个可广泛接受的标准。
本装置是一个用于脉象触力传感器的试验装置，此装置弥补了该领域动态检测手段欠缺的空白，尤其是脉象触力传感器和脉象仪频响检测的空白，为各生产厂商和检测单位，提供了一种可行的检测手段。
Claims (7)
1.一种桡动脉触力传感器检测装置，其特征在于，在固定支架上设置的模态激振器，所述模态激振器上设有带传感器推杆，所述带传感器推杆与一个测试架之间设置有第三方计量传感器和被测传感器，所述测试架与固定在所述支架上的过压释放器连接，所述过压释放器通过旋紧固定用丝杆和旋柄固定在所述固定支架上。
2.如权利要求1所述的桡动脉触力传感器检测装置，其特征在于，所述过压释放器包括丝筒套、弹簧和预力调整螺母。
3.如权利要求1所述的桡动脉触力传感器检测装置，其特征在于，所述带传感器推杆中设有高精度触力反馈传感器。
4.一种桡动脉触力传感器检测电路，其特征在于，包括PC主机，所述PC主机与所述基准波形产生模块连接，所述基准波形产生模块与误差放大器模块和幅度调节器模块连接，所述误差放大器模块与模态激振器驱动模块和压力反馈取样放大模块连接。
5.如权利要求4所述的桡动脉触力传感器检测电路，其特征在于，所述幅度调节器模块与显示屏连接。
6.如权利要求4所述的桡动脉触力传感器检测电路，其特征在于，所述模态激振器驱动模块为直流功放单元，用来推动模态激振器共工作，最高频率响应为10kHz。
7.如权利要求4所述的桡动脉触力传感器检测电路，其特征在于，所述PC主机与所述基准波形产生模块通过USB通讯。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201420271843.0U CN204133442U (zh) | 2014-05-16 | 2014-05-16 | 桡动脉触力传感器检测装置及检测电路 |
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| CN204133442U true CN204133442U (zh) | 2015-02-04 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104000565A (zh) * | 2014-05-16 | 2014-08-27 | 上海道生医疗科技有限公司 | 桡动脉触力传感器检测装置及检测电路 |
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2014
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