RU2090135C1

RU2090135C1 - Pulse wave transducer

Info

Publication number: RU2090135C1
Authority: RU
Inventors: В.М. Шарапов; С.П. Варавка
Original assignee: Шарапов Валерий Михайлович
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1997-09-20

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has casing, piezoelectric transformer composed of two bimorphous members having metal plate and piezoelectric elements fixed on plate with electrodes of diverse polarity and connected in parallel. The bimorphous members are arranged in the plane of contact with hand and are made as cantilevers having view of parallelograms in plan. The longer sides of the parallelograms are set at an angle of 2 2α, where a - is the less angle of parallelogram. EFFECT: enhanced effectiveness of injecting drugs into animal body. 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к техническим средствам для измерения артериального давления. The invention relates to medical equipment, in particular to technical means for measuring blood pressure.

Известен датчик пульсовой волны по а.с. N 895405 (A 61 B 5/02, 1982), предназначенный для индикации момента наступления систолического и диастолического давления, содержащий корпус, консольный пьезоэлектрический преобразователь, пелот, шарнир. Known pulse wave sensor for AS N 895405 (A 61 B 5/02, 1982), designed to indicate the moment of onset of systolic and diastolic pressure, comprising a housing, a cantilever piezoelectric transducer, a pilot, a hinge.

Недостатком этого датчика является сравнительная сложность конструкции. The disadvantage of this sensor is the comparative complexity of the design.

Известен датчик пульсовой волны по а.с. N 1395285 (A 61 B 5/02, 1988), содержащий корпус, пьезоэлектрический преобразователь в виде пьезоэлемента с двумя системами электродов, два пелота. Пьезоэлемент закреплен внутри корпуса по крайней мере в двух точках, в частном случае с помощью шарнира. Known pulse wave sensor for AS N 1395285 (A 61 B 5/02, 1988), comprising a housing, a piezoelectric transducer in the form of a piezoelectric element with two electrode systems, two pelots. The piezoelectric element is fixed inside the housing at least at two points, in particular in the case of a hinge.

Недостатком датчика является сравнительная сложность конструкции. The disadvantage of the sensor is the comparative complexity of the design.

Известен датчик тонов Короткова по а.с. N 1646542 (A 61 B 5/02, 1991), также предназначенный для индикации систолического и диастолического давления. Данный датчик воспринимает и пульсовую волну, поэтому является одновременно и датчиком пульсовой волны. Датчик содержит корпус, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде двух биморфных элементов, состоящий каждый из металлической пластины (крышки) и двух пьезоэлементов, закрепленных на пластине разнополярными электродами и соединенных параллельно. Known tone sensor Korotkova A.S. N 1646542 (A 61 B 5/02, 1991), also intended to indicate systolic and diastolic pressure. This sensor also senses a pulse wave, therefore it is also a pulse wave sensor. The sensor comprises a housing, a piezoelectric transducer made in the form of two bimorph elements, each consisting of a metal plate (cover) and two piezoelectric elements fixed to the plate by different-polar electrodes and connected in parallel.

Биморфные элементы расположены аксиально в плоскости контакта с рукой, а второй в плоскости контакта с манжетой, а пьезоэлементы выполнены в виде колец и дисков равной площади. Bimorph elements are located axially in the plane of contact with the hand, and the second in the plane of contact with the cuff, and the piezoelectric elements are made in the form of rings and disks of equal area.

Указанный датчик является наиболее близким по технической сущности (и количеству совпадающих существенных признаков) и выбран в качестве прототипа. The specified sensor is the closest in technical essence (and the number of matching essential features) and is selected as a prototype.

Недостатком указанного датчика является сравнительно невысокая помехозащищенность. The disadvantage of this sensor is the relatively low noise immunity.

Целью изобретения (техническим эффектом) является повышение помехозащищенности. The aim of the invention (technical effect) is to increase the noise immunity.

Поставленная цель (технический эффект) в датчике пульсовой волны, содержащем корпус, пьезоэлектрический преобразователь в виде двух биморфных элементов, состоящий каждый из металлической пластины и пьезоэлементов, закрепленных на пластине разнополярными электродами и соединенных параллельно, причем биморфные элементы расположены в плоскости контакта с рукой, достигается тем, что биморфные элементы выполнены в виде консолей, представляющих в плане параллелограммы, длинные стороны которых расположены под углом 2α где a меньший угол параллелограмма. The goal (technical effect) in a pulse wave sensor containing a housing, a piezoelectric transducer in the form of two bimorph elements, each consisting of a metal plate and piezoelectric elements mounted on the plate with opposite polar electrodes and connected in parallel, and the bimorph elements located in the plane of contact with the hand, is achieved the fact that the bimorph elements are made in the form of consoles, representing in plan parallelograms, the long sides of which are located at an angle of 2α where a is the smaller angle of the pairs allelogram.

Примечание. Как известно, параллелограммом называется четырехугольник, противоположные стороны которого попарно параллельны, см. фиг. 5, на которой a,β меньший и больший угол параллелограмма соответственно. Очевидно, что a находится в пределах от 0 (в этом случае параллелограмм превращается в линию) до 90^o (параллелограмм превращается в прямоугольник). Итак: 0 < a < 90^o.Note. As you know, a parallelogram is a quadrangle whose opposite sides are pairwise parallel, see Fig. 5, on which a, β are the smaller and larger parallelogram angles, respectively. Obviously, a is in the range from 0 (in this case, the parallelogram turns into a line) to 90 ^o (the parallelogram turns into a rectangle). So: 0 <a <90 ^o .

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого преобразователя;
на фиг. 2 зависимость отношения сигнал/помеха (U_c/U_п) от отношения размеров А/В консоли;
на фиг. 3 зависимость отношения сигнал/помеха (U_c/U_п) от угла 2 между длинными сторонами параллелограмма;
на фиг. 4 данные об отношении сигнал/помеха (U_c/U_п) для синфазных и вибрационных помех для прототипа а.с. 1646542, датчика по а.с. 1395285 и датчика по настоящей заявке.In FIG. 1 shows the design of the proposed Converter;
in FIG. 2 the dependence of the signal-to-noise ratio (U _c / U _p ) on the ratio of the sizes of the A / V console;
in FIG. 3 the dependence of the signal-to-noise ratio (U _c / U _p ) on the angle 2 between the long sides of the parallelogram;
in FIG. 4 data on the signal-to-noise ratio (U _c / U _p ) for in-phase and vibration interference for the prototype 1646542, sensor on.with. 1395285 and the sensor of this application.

Предлагаемый преобразователь (фиг. 1) содержит корпус 1, два биморфных элемента, состоящих из металлических пластин 2 и пьезоэлементов 3, закрепленных на металлических пластинах разнополярными электродами. Биморфные элементы 2, 3 выполнены в виде консолей 4, представляющих в плане параллелограммы, причем длинные стороны 5 параллелограммов расположены под углом 2α где a меньший угол параллелограмма. The proposed Converter (Fig. 1) contains a housing 1, two bimorph elements, consisting of metal plates 2 and piezoelectric elements 3, mounted on metal plates with opposite polarity electrodes. The bimorph elements 2, 3 are made in the form of consoles 4, representing parallelograms in plan, the long sides 5 of the parallelograms being located at an angle 2α where a is the smaller angle of the parallelogram.

Датчик под компрессионной манжетой расположен контактной поверхностью 6 к руке. Консоли 4, в частном случае, выполнены в металлической пластине 2 с помощью зазора 7. The sensor under the compression cuff is located on the contact surface 6 to the arm. Consoles 4, in a particular case, are made in a metal plate 2 using a gap 7.

Пьезоэлементы 3 подключены к согласующему устройству 8, которое, в частности, представляет собой усилитель с высоким входным сопротивлением. The piezoelectric elements 3 are connected to a matching device 8, which, in particular, is an amplifier with a high input impedance.

Датчик работает следующим образом. Датчик располагается на предплечье под компрессионной манжетой. Пульсовая волна, движущаяся в направлении, указанном стрелкой на фиг. 1 (см. а.с. N 895405, A 61 B 5/02, 1982; а.с. N 1445688, А 61 В 5/02, 1988), воздействует на биморфные элементы (2, 3), формируя в них последовательно полезный сигнал. Вместе с тем на биморфные элементы воздействует и акустический сигнал (см. а.с. N 1646542, A 61 B 5/02; Григорян С. С. и др. Звуки Короткова или что слышит врач, когда измеряет артериальное давление. Химия и жизнь, N 7, 1987, с. 58), что приводит в целом к увеличению полезного сигнала. The sensor operates as follows. The sensor is located on the forearm under the compression cuff. A pulse wave moving in the direction of the arrow in FIG. 1 (see A.S. N 895405, A 61 B 5/02, 1982; A.S. N 1445688, A 61 B 5/02, 1988), acts on bimorph elements (2, 3), forming them consistently useful signal. At the same time, an acoustic signal also acts on bimorph elements (see A.S. N 1646542, A 61 B 5/02; Grigoryan S. S. et al. Sounds of Korotkov or what the doctor hears when measuring blood pressure. Chemistry and life , N 7, 1987, p. 58), which generally leads to an increase in the useful signal.

В то же время, так называемая синфазная помеха (т.е. приходящая в фазе с полезным сигналом), образующаяся при пульсациях давления в компрессионной манжете из-за движения руки пациента и т.п. воздействует на оба биморфных элемента одновременно. At the same time, the so-called common-mode interference (i.e., coming in phase with a useful signal), which is formed during pressure pulsations in the compression cuff due to movement of the patient’s arm, etc. affects both bimorph elements at the same time.

Так как пьезоэлементы включены встречно, то сигналы помехи в каждом пьезоэлементе имеют противоположный знак и компенсируют друг друга. Since the piezoelectric elements are switched on counter, the interference signals in each piezoelectric element have the opposite sign and cancel each other out.

Аналогичный процесс происходит и для вибрационных помех. A similar process occurs for vibration interference.

Выполнение биморфных элементов в виде консолей позволяет снизить резонансную частоту биморфных элементов и повысить чувствительность к полезному сигналу (т.е. увеличить отношение сигнал/помеха). The implementation of bimorph elements in the form of consoles allows you to reduce the resonant frequency of the bimorph elements and increase the sensitivity to the useful signal (i.e., increase the signal-to-noise ratio).

Выполнение биморфных элементов в виде консолей позволяет также разделить воздействие пульсовой волны на каждый из биморфных элементов. В датчике же по а.с. N 1646542 при воздействии пульсовой волны на кольцевой элемент одновременно изгибается и дисковый (и наоборот), что приводит к уменьшению чувствительности для полезного сигнала, следовательно, уменьшает отношение сигнал/помеха. The implementation of bimorph elements in the form of consoles also allows you to split the impact of the pulse wave on each of the bimorph elements. In the sensor, however, as N 1646542 when exposed to a pulse wave on a ring element, the disk (and vice versa) bends at the same time, which leads to a decrease in sensitivity for a useful signal, therefore, reduces the signal / noise ratio.

Следовательно, в предлагаемом датчике помехозащищенность улучшается. Therefore, in the proposed sensor, noise immunity is improved.

Расположение консолей под углом 2α позволяет уменьшить время прохождения волны по чувствительному элементу, т.е. получить полезный сигнал более высокочастотный, т.е. улучшить помехозащищенность по сравнению с низкочастотным сигналом помехи и низкочастотным сигналом пульса. The location of the consoles at an angle of 2α reduces the time it takes for the wave to travel through the sensitive element, i.e. get a useful signal more high-frequency, i.e. improve noise immunity compared to low-frequency interference signal and low-frequency pulse signal.

Примечание. Как известно, скорость пульсовой волны колеблется от 0,5 до 10 м/с (см. Химия и жизнь, N 7, 1987, с. 60). Note. As you know, the speed of the pulse wave ranges from 0.5 to 10 m / s (see Chemistry and Life, N 7, 1987, p. 60).

Как показали эксперименты (см. далее), существует зависимость отношения сигнал/помеха от отношения размеров А/В параллелограмма (см. фиг. 2). Из фиг. 2 видно, что максимум чувствительности достигается при А/В 0,75 (или в пределах от 0,65 < A/B < 0,85 по уровню 0,9 от максимума). Этот результат можно объяснить тем, что чувствительность к полезному сигналу зависит не только от деформации консоли по длине, но и от ее деформации по ширине. As the experiments showed (see below), there is a dependence of the signal-to-noise ratio on the size ratio A / B of the parallelogram (see Fig. 2). From FIG. Figure 2 shows that the maximum sensitivity is achieved at A / B 0.75 (or in the range from 0.65 <A / B <0.85 at a level of 0.9 from the maximum). This result can be explained by the fact that sensitivity to a useful signal depends not only on the deformation of the console in length, but also on its deformation in width.

Существует также зависимость отношения сигнал/помеха от угла 2α между длинными сторонами параллелограмма, полученная экспериментально и изображенная на фиг. 3, откуда видно, что максимум отношения достигается при угле 2α ≈ 60^o. Или 50^o < 2α < 70^o по уровню 0,9.There is also a dependence of the signal-to-noise ratio on the angle 2α between the long sides of the parallelogram obtained experimentally and shown in FIG. 3, from which it can be seen that the maximum ratio is reached at an angle of 2α ≈ 60 ^o . Or 50 ^o <2α <70 ^o at the level of 0.9.

Датчик реализован следующим образом. The sensor is implemented as follows.

На металлической пластине из твердой латуни ЛС 63 выполнены две консоли с размерами: А 6 мм; В 8 мм; 2α 60^o. На консоли эпоксидной смолой разнополярными электродами приклеивались пьезоэлементы по размеру консоли толщиной 0,3 мм из пьезокерамики ЦТС-19. Пьезоэлементы соединялись параллельно и подключались к согласующему усилителю на полевом транзисторе КП 201Е с R_вх 10 МОм и К_ус 5,8 и линейной АЧХ в диапазоне от 10 до 10000 Гц.On a metal plate made of solid brass LS 63, two consoles are made with dimensions: A 6 mm; In 8 mm; 2α 60 ^o . Piezoelectric elements were glued onto the console with epoxy resin using bipolar electrodes, the size of the console being 0.3 mm thick from PZT-19 piezoceramics. The piezoelectric elements were connected in parallel and connected to a matching amplifier on a field-effect transistor KP 201E with R _in 10 MΩ and K _us 5.8 and a linear frequency response in the range from 10 to 10000 Hz.

Кроме того, были изготовлены датчики с размерами:
А, мм: 6, 6, 6, 6;
В, мм: 10, 12, 14, 6.In addition, sensors with dimensions were made:
A, mm: 6, 6, 6, 6;
B, mm: 10, 12, 14, 6.

Одновременно были изготовлены датчики с размерами А 6 мм, В 8 мм и углом 2α 30, 40, 50, 70, 80 и 90, 120 и 180^o.At the same time, sensors were manufactured with dimensions A 6 mm, B 8 mm and an angle of 2α 30, 40, 50, 70, 80 and 90, 120 and 180 ^o .

На фиг. 4 приведены данные об отношении сигнал/помеха (U_c/U_п) для синфазных помех для предполагаемого датчика (1), для прототипа а.с. N 1395285, а. с. N 1646542 (2) и для датчика по а.с. N 1395285 (3).In FIG. 4 shows data on the signal-to-noise ratio (U _c / U _p ) for common-mode interference for the proposed sensor (1), for the prototype N 1395285, a. from. N 1646542 (2) and for the sensor on.with. N 1395285 (3).

Как видно из фиг. 4, датчик по настоящей заявке имеет наилучшее соотношение сигнал/помеха. As can be seen from FIG. 4, the sensor of the present application has the best signal to noise ratio.

Датчик используется для цифровых измерителей, а также для полуавтоматических, используемых для измерения АД при ходьбе (кардиология), на тренажерах и т.п. The sensor is used for digital meters, as well as for semi-automatic ones used for measuring blood pressure when walking (cardiology), on simulators, etc.

Claims

A pulse wave sensor containing a housing, a piezoelectric transducer in the form of two bimorph elements, each consisting of a metal plate and piezoelectric elements fixed to the plate by opposite-polished electrodes and connected in parallel, the bimorph elements being located in the plane of contact with the hand, characterized in that the bimorph elements are made in in the form of consoles representing parallelograms in plan, the sides of which are located at an angle of 2α, where α is the smaller angle of the parallelogram.