СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТРУБЧАТЫХ СТРУКТУР ЧЕЛОВЕКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SIZE DETECTION OF INDIVIDUAL'S DEFORMABLE TUBULAR STRUCTURES AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к области медицины, а именно: к измерительным и регистрационным приборам, и может быть использовано для определения размеров деформируемых трубчатых структур человека, в частности его кровеносных сосудов.
Известен способ измерения внутреннего диаметра протеза кровеносного сосуда (ПКС) [1], заключающийся в следующем. Вырезается отрезок протеза, где надо измерить его внутренний диаметр, и помещается на конический градуированный измеритель без натяжения. Значение внутреннего диаметра считывают со шкалы измерения.
Недостатком этого способа является его не точность, т.к. натягивание образца на измеритель будет зависеть от работника, проводящего это испытание: один более сильно осуществит натяжение, а другой - более слабо.
Известен способ измерения внутреннего диаметра ПКС [1], заключающийся в том, что отрезок ПКС надевают на измерительные цилиндры возрастающего диаметра до тех пор, пока не будет замечено растяжение ПКС.
Недостатком этого способа является также его плохая точность, т.к. один проверяющий заметит растяжение ПКС раньше, а другой проверяющий - позже, чем надо.
Наиболее близким, по своей сути к предлагаемому является способ измерения внешнего диаметра ПКС [1], когда создают в нем давление и микрометром, или штангенциркулем, или другим измерительным устройством определяют внешний диаметр протеза.
Недостатком этого метода является то, что сами измерительные приборы имеют большую степень погрешности измерения (±1 мм). Соблюсти одинаковое давление для разных измерений также трудно. Кроме того, следует отметить невозможность использования этого способа в условиях операционной.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения размеров деформируемых трубчатых структур человека с достаточно высокой точностью, который можно было бы использовать в условиях проведения операций как в стационарных, так и в полевых условиях.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе определения размеров деформируемых трубчатых структур человека, например кровеносных сосудов, измеряемый кровеносный сосуд рассекается в поперечном направлении и своей внутренней поверхностью с одного конца надевается на две цилиндрические губки, жестко закрепленные на неподвижной пяте и шпинделе микрометра и находящиеся в плоскостях измерительных его поверхностей параллельно друг другу, после чего перемещением шпинделя на увеличение расстояния между измерительными поверхностными осуществляется растягивание кровеносного сосуда в поперечном направлении до расправления стенок сосуда и облегания ими губок, при этом используется электронный микрометр, имеющий постоянное низкое измерительное усилие на храповом барабане при раздвижении губок и невращающийся шпиндель; одновременно регистрируется расстояние между губками путем снятия падения напряжения с потенциометра, движок которого шарнирно связан со шпинделем, после чего это напряжение усиливается и сравнивается с эталонными напряжениями, полученными заранее в зависимости от известных расстояний между губками. Или же измеряемый кровеносный сосуд своей внутренней поверхностью надевается на одну цилиндрическую губку, закрепленную жестко на неподвижной пяте микрометра, и шпиндель перемещается до касания губки, закрепленной на нем, внешней поверхности сосуда, после чего по индикатору микрометра фиксируется толщина стенки кровеносного сосуда, при этом используется электронный микрометр, имеющий постоянное низкое измерительное усилие на храповом барабане при сближении губок и невращающийся шпиндель.
При проведении операций на кровеносных сосудах или других органах человеческого организма, где имеются трубчатые деформирующиеся структуры, часто необходимо определять при этом геометрические параметры этих структур, например внутренний диаметр кровеносных сосудов (вен, артерий и т.п.), толщину их стенок и т.д., чтобы правильно поставить диагноз той или иной болезни, определить размеры протеза и т.п. И сделать это необходимо с достаточно высокой точностью. Поэтому, когда хирургом вскрывается больной трубчатый элемент, то необходимо произвести измерение его геометрических параметров для текущего решения и дальнейшего анализа. Способ и устройство должны быть просты в обращении, автономны, а также чтобы могли применяться во всех условиях, что особенно важно при получении ранений, травм и т.п. Предлагаемый способ и устройство отвечают этим требованиям.
Хирург оголенный трубчатый элемент, например кровеносный сосуд, рассекает в поперечном направлении, открывая внутренний канал для доступа. Затем, в зависимости от размера этого канала, губки устройства, создаваемого на базе электронного микроскопа и запитываемого от батареек, сдвигаются так, чтобы они могли поместиться внутри этого канала. Хирург вручную перемещает после этого шпиндель с помощью барабана и трещотки, замеряя геометрические размеры элемента. При этом устройство, обладая малыми размерами и массой, подносится к измеряемому элементу, а не наоборот. Так как трубчатые структуры обладают малыми размерами, например размер кровеносных сосудов варьируется от 25 мм (диаметр аорты) до 8 мкм (диаметр капилляров) [2], то диаметр губок необходимо выдерживать как можно меньше, обеспечивая при этом достаточную прочность, например 1 мм из прочной нержавеющей стали.
Предлагаемое устройство обладает достаточной точностью. В частности, если использовать цифровой электронный микроскоп 227-201, что предлагается авторами, то его точность равна ±2 мкм [3]. Для сравнения, точность измерения при испытаниях, предлагаемая в [1], равна ±1 мм. Кроме того, данный микрометр имеет невращающийся шпиндель, что важно для того, чтобы измеряемая структура не сминалась при измерении, а также механизм постоянного низкого настраиваемого измерительного усилия на барабане, колеблющегося от 0,5 до 2,5 ньютонов (5 грамм - 25 грамм). Большие усилия недопустимы, т.к. ткань измеряемой структуры будет сминаться и правильного измерения не получится. И в то же время устройство должно иметь возможность быть настроенным на постоянное усилие, чтобы независимо от оператора сжатие измеряемого элемента было одинаковым. Нужно добавить, что в предлагаемом устройстве постоянство измерительного усилия должно быть как при сближении губок, так и при их раздвижении.
Заявляемый способ реализуется в устройстве для определения размеров деформируемых трубчатых структур человека, которое содержит электронный микрометр, имеющий низкое измерительное усилие на храповом барабане как при сдвижении, так и раздвижении измерительных поверхностей, и невращающийся шпиндель. На неподвижную измерительную пятку и конец шпинделя плотно посажены втулки с прикрепленными к ним неподвижно губками в виде тонких цилиндров. Один край боковых поверхностей губок, вдоль их осей, совпадает с плоскостями измерительных поверхностей микрометра, а сами губки параллельны между собой. Кроме того, шпиндель шарнирно связан с движком потенциометра, перемещающегося при движении шпинделя и обеспечивающего снятие падения напряжения с потенциометра в зависимости от положения губок относительно друг друга. При этом устройство дополнительно содержит:
- усилитель напряжения, поступающего с потенциометра;
- компаратор, сравнивающий поступающее на него напряжение с усилителя с линейно изменяющимся напряжением генератора и формирующий импульс напряжения;
- схема «И», кодирующая поступающий на нее с компаратора импульс в пачку коротких импульсов генератора образцовой частоты;
- двоичный счетчик импульсов, подсчитывающий число импульсов в пачке;
- дешифратор импульсов;
- устройство памяти эталонных кодов, где заранее записываются значения сигналов от известных параметров трубчатых структур, например их диаметра;
- цифровое устройство, осуществляющее сравнение полученного с потенциометра сигнала с эталонными сигналами;
- устройство индикации, где высвечивается величина размера трубчатой структуры. Напряжение с потенциометра поступает в усилитель, с выхода усилителя - на вход компаратора, с выхода компаратора - на схему «И», затем на вход двоичного счетчика импульсов, далее - на вход дешифратора, с выхода дешифратора - на вход цифрового устройства сравнения, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов, а с выхода цифрового устройства сравнения - на вход устройства индикации.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Определение требуемого размера элемента по его длине в растянутом состоянии.
2. Преобразование линейного размера в определенный электрический сигнал.
3. Определение геометрических размеров трубчатых структур человека по величине формирующегося на потенциометре сигнала.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие губок в плоскостях измерительных поверхностей на микрометре;
- наличие постоянного низкого измерительного усилия на барабане как при сближении, так и удалении губок друг от друга;
- наличие блока обработки сигналов от потенциометра.
Использование новых признаков в совокупности с известными и новых связей между ними обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: определение размеров деформируемых трубчатых структур человека на самом человеке с достаточной точностью и создание для этого компактного устройства, которое можно использовать в любых условиях, в том числе и полевых.
На фигурах 1 и 4 приведены схемы использования предлагаемого способа определения размеров деформируемых трубчатых структур человека, на фигурах 2 и 3 - структурная схема и формирование сигналов в элементах блока обработки сигнала, полученного от потенциометра.
В предлагаемом способе используется (фиг. 1) микрометр, например 227-201, устройство для подготовки трубчатого элемента к измерению (губки 2 с втулками 12 и неподвижной пятой 3 и шпинделем 11), преобразователь линейных перемещений шпинделя с губкой в электрическое напряжение потенциометра 4, блок обработки сигналов с потенциометра.
Так как определение размеров трубчатых структур человека предлагается осуществлять в рассеченном их состоянии, т.е. стенки этих элементов находятся не в растянутом положении, то предварительно необходимо осуществить натяжение этих структур, замерить длину или другой размер исследуемого элемента, после чего методом расчета по определенному алгоритму или непосредственно определяется размер этого элемента. Для растяжения измеряемой структуры и служат губки, одна из которых установлена на неподвижной пяте скобы микрометра, а другая - на подвижном его шпинделе. Последний может перемещаться как в одну сторону, так и в другую, обеспечивая или увеличение расстояния между губками, или его сокращение, вплоть до нуля. При перемещении шпинделя перемещается движок потенциометра, что приводит к падению напряжения на его обмотке. Это напряжение и снимается с потенциометра и подается в блок обработки этого сигнала, который сравнивается с эталонными сигналами, полученными заранее от известных расстояний между губками и с которым из них совпадает по величине, такой размер и будет иметь проверяемая трубчатая структура.
Устройство для определения размеров деформируемых трубчатых структур человека (фиг. 1, 4) содержит микрометр, например 227-201, в виде скобы 14, на которой с одной стороны неподвижно закреплена пятка 3 цилиндрической формы с измерительной поверхностью 17. На пятку плотно посажена втулка 12, со связанной с ней жестко губкой 2 в виде тонкого цилиндра, лежащего в плоскости измерительной поверхности. С другой стороны скобы 14 располагается подвижный шпиндель 11 также цилиндрической формы, имеющий на своем торце измерительную поверхность 18. На шпиндель плотно надета втулка 12 с подвижной губкой 2. Шпиндель 11 шарнирно связан с потенциометром 4 (на фиг. 1). Соединение показано в виде толкателя 8 и стрелки 6, которая поворачивается на неподвижной оси 7 и перемещает движок потенциометра, запитываемого от источника постоянного тока 5. Пружина 9 обеспечивает контакт между толкателем и стрелкой. Сбоку на скобе 14 микрометра расположено табло управления 13 и индикатор 15. Перемещение шпинделя осуществляется барабаном 16 (грубо) и трещоткой 10 (точно и с заданным усилием измерения). Блок обработки сигнала с потенциометра 4 (фиг. 2) включает усилитель этого сигнала 19, компаратор 20, схему «И» 21, генератор линейно изменяющегося напряжения 22, генератор импульсов образцовой частоты 23, двоичный счетчик импульсов 24, дешифратор 25, устройство памяти эталонных кодов 27, устройство сравнения 26 (цифровое), вычислитель 28, устройство индикации 29.
Устройство для определения размеров деформируемых трубчатых структур человека работает следующим образом.
Для примера, в качестве трубчатой структуры человека возьмем кровеносный сосуд. Требуется во время проведения операции быстро определить геометрические размеры в поперечном направлении (внутренний диаметр сосуда, толщину стенки и др.). Когда оголился сосуд, хирург рассекает его в поперечном направлении, предоставляя доступ к внутренней полости сосуда. Подносится устройство к одному из частей сосуда, и сосуд 1 (Фиг. 1) натягивается на обе губки 2. После этого барабаном 16 (фиг. 4) губки ℓ продолжается развод губок с помощью трещотки 10. Как только усилие натяжения стенок сосуда станет равным настроенному, например 0,5 ньютона, разведение губок прекратится и трещотка 10 начнет проворачиваться, что будет определяться расстоянием «с» между губками и расстоянием «в» между стенками сосуда, определяемым диаметром губок 2. Разведение губок происходит только за счет перемещения шпинделя 11, на торец которого со стороны измерительной поверхности плотно надета втулка 12, с которой жестко соединены губка 2, с одной стороны, и толкатель 8, с другой стороны. Шпиндель шарнирно связан с потенциометром, закрепленным неподвижно своим корпусом на скобе 14. Но при движении шпинделя движок потенциометра также перемещается, обеспечивая падение напряжения на своей обмотке (U1i, U2i, U3i, Ui), которое является выходным напряжением потенциометра и зависит от расстояния «с» между губками. На фигуре 1, представлен потенциометр 4 в виде стрелки 6 с пружиной 9, вращающейся на неподвижной оси 7, толкателя 8, обмотки потенциометра, подсоединенной к источнику постоянного тока 5. В зависимости от положения шпинделя конец стрелки 6 будет занимать положения Б, Д, Г, К и т.д. Так как плечо Τ стрелки значительно меньше плеча ℓ, то конец стрелки будет перемещаться на значительно большее расстояние по сравнению с величиной перемещения толкателя. После полного разведения губок и остановки движения шпинделя стрелка 6 также перестанет перемещаться и с потенциометра будет исходить напряжение Ui, соответствующее определенному значению расстояния между губками «с». Это напряжение будет достаточно малым. Поэтому после потенциометра установлен усилитель 19 этого напряжения, обеспечивающий работу всех последующих за ним элементов устройства. В предлагаемом устройстве для определения размеров деформируемых трубчатых структур человека используется принцип действия времяимпульсного преобразования, основанного на преобразовании значения измеряемого напряжения Ux с выхода усилителя 19 во временной интервал, с последующим кодированием этого интервала методом последовательного счета в пачку импульсов. Значение напряжения Ux посредством сравнения его компаратором 20 с линейно изменяющимся напряжением U1 генератора 22 (см. фигуру 3, наклонная прямая; горизонтальная прямая - это Ux), преобразуется в импульс напряжения U2 длительностью Δt, который поступает на схему «И» 21, где кодируется в пачку коротких импульсов генератора 23 импульсов образцовой частоты U3. Подсчет числа импульсов «n» в пачке осуществляется в двоичном счетчике импульсов 24, куда со схемы «И» 21 поступает сигнал U4.
n=Δt/To=Ux/C То=(fo Ux)/C,
где С - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения U(t), т.е. U1 в генераторе 22 линейно изменяющегося напряжения;
То, fo - период и частота выходного напряжения U3 генератора импульсов образцовой частоты 23.
m
Из уравнения видно, что число импульсов «n» пропорционально напряжению Ux с усилителя 19. Выбирая коэффициент пропорциональности fo/C=10 (m - целое число), можно получить показания значений напряжения Ux в требуемых единицах измерения (В, мВ и т.д.). Затем в дешифраторе 25 этот сигнал дешифруется и поступает в устройство сравнения (цифровое) 26, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов 27 (заранее сняты с эталонов расстояния между губками «с»), и когда сигнал с дешифратора 25 сравнивается (или будет близок) к одному из эталонных сигналов с устройства памяти эталонных кодов 27, то с выхода устройства сравнения 26 на вычислитель 28 подается сигнал в виде величины расстояния «с» в мкм или в мм (как будет настроен). В вычислителе по определенному алгоритму вычисляется размер, например, внутреннего диаметра d кровеносного сосуда по поступившему с устройства сравнения 26 расстоянию «с» между губками. Измерительное усилие натяжения губками кровеносного сосуда, при котором сработает храповой механизм (трещотка), выбирается с учетом максимального кровяного давления, которое несколько расширяет сосуд, растягивая его (см. фигуру 1, вид А). В этом положении стенки сосуда облегают губки, имеющие величину диаметра «а» (известная постоянная величина). Длина периметра Ρ стенок сосуда в этом положении определится как:
Ρ=2С+2а/2·2+2π·а/2=2С+2а+3,14а=2С+5,14а;
Р=2С+5,14а.
С другой стороны, если считать кровеносный сосуд круглым, то его периметр определится как:
Ρ=2π·d/2=3,14d.
Здесь d - диаметр сосуда.
Приравниваем значения периметров кровеносного сосуда:
2С+5,14а=3,14d.
Отсюда:
d=(2C+5,14a)/3,14.
Или:
d=0,64С+1,64а.
Используя это уравнение и полученное с устройства сравнения 26 значение величины «с», вычислитель 28 вычисляет величину внутреннего диаметра d кровеносного сосуда, и с него на устройство индикации 29 подается сигнал в виде величины диаметра сосуда, например «3», - высвечивается на индикаторе, что означает 3 мм.
Для определения другого параметра трубчатой структуры человека, например толщины стенки кровеносного сосуда, используется другое устройство, а именно: электронный микрометр, имеющий механизм настраиваемого низкого измерительного усилия на барабане и невращающийся шпиндель, например микрометр 227-201 [3]. На неподвижную пяту скобы 14 (см. фигуру 4) и торец шпинделя плотно закрепляются втулки 12 с губками 2 так, чтобы губки были параллельны друг другу и находились бы в плоскости измерительных поверхностей микрометра. При операции хирург рассекает в поперечном направлении кровеносный сосуд 1 и обнаженным торцом надевает его на неподвижную губку 2. Затем вращением барабана 16 перемещает шпиндель 11 на сближение измерительных поверхностей 17 и 18 до положения, когда вторая губка коснется внешней поверхности сосуда. После этого трещоткой 10 стенка сосуда поджимается к губкам настроенным усилием, например 0,5 ньютона, после чего сработает храповой механизм (трещотка). В этом положении индикатор 15 высветит толщину стенки сосуда h в мкм. Включение, выключение и сигнализация о работе микрометра происходит на пульте управления 13, расположенного на скобе 14. При измерении толщин стенок трубчатых структур, как описывалось выше, настраиваемое постоянное низкое измерительное усилие на барабане необходимо только при сближении губок, а при их раздвижении это не обязательно.
Когда определен внутренний диаметр трубчатой структуры, например внутренний диаметр кровеносного сосуда d и толщина его стенки h, то можно вычислить и внешний диаметр сосуда Д по формуле:
Д=d+h.
Использование заявляемого изобретения позволяет определять размеры деформируемых трубчатых структур человека быстро, с высокой точностью и в любых условиях, в том числе и в полевых.
Источники информации
1. ГОСТ 31514-2012. Протезы кровеносных сосудов. Общие технические требования. Методы испытаний.
2. http://www.takzdorovo.ru/prof%c3%aelaktika/obraz-zhizni/sosudy/
3. technobearing.ru/mikrometry-cifrovye-mitutoyo-digimatic-quickmike-seriya-227