Датчик пульсовой волны
PULSE WAVE SENSOR

Техническое решение относится к медицинской технике, преимущественно к оперативной диагностической аппаратуре, и может быть использовано для неинвазивного измерения пульсовой волны человека.
Существующие в настоящее время механические датчики пульсовой волны функционируют на основе регистрации движения стенок кровеносных сосудов, обусловленного выбросом порций крови в артерии при сердечных сокращениях. Наиболее широко используются датчики с пьезоэлектрическими измерителями, например, такие, какие представлены в описаниях к охранным документам (патент США №5551437 на изобретение «Sensor for measuring blood pressure», автор В.  МПК А61В 5/02, опубл. 03.09.1996; патент РФ №2402977 на изобретение «Измеритель пульсовой активности», авторов Т.И. Булдаковой, Е.С. Кузьменко, С.И. Суятинова, О.Ю. Торгашевой, МПК А61В 5/022, опубл. 10.11.2010).
Как правило, вышеуказанные датчики помимо узла механических смещений элементов и преобразования их в электрический сигнал содержат узел электронной обработки этого сигнала. Подобные устройства достаточно сложны, требуют соблюдения определенных условий, в которых они могут обеспечивать достоверность диагностики. Эти датчики зачастую неудобны для проведения оперативной диагностики, потребность в которой возникает в экстренных ситуациях. В связи с этим существует техническая проблема в разработке датчиков, достаточно простых в реализации, надежных в диагностике и удобных для использования в экстренных случаях.
Известен датчик пульсовой волны, сущность которого раскрыта в описании к патенту РФ №2403861 на изобретение «Датчик пульсовой волны» авторов В.Ф. Романовского, А.М. Романовской, А.В. Романовского, С.М. Семенова, В.М. Гаврилова, Л.Н. Винокурова, МПК А61В 5/02, опубл. 20.11.2010. Указанный датчик содержит полый корпус с отверстием, пелот с контактной поверхностью, шарнирно установленный в отверстии с возможностью угловых смещений относительно корпуса, связанный с пелотом и корпусом преобразователь угловых смещений пелота в электрический сигнал пьезоэлектрическими стержнями, соединенный с электронным формирователем выходного сигнала.
Приведенным датчиком не решается техническая проблема разработки датчиков пульсовой волны, достаточно простых в реализации, с надежной диагностикой при использовании в экстренных случаях.
Недостатком представленного датчика пульсовой волны является то, что для обеспечения высокой чувствительности датчика необходима электронная обработка исходного электрического сигнала.
Из известных датчиков пульсовой волны наиболее близким к заявляемому является датчик, представленный в работе I. Dendo «А Micro-Dimensional Tip Streaming Potential Pressure Sensor», опубликованной в Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology 14(1), 151-152 (1992). Датчик содержит рабочую жидкость, электроды, стеклянный фильтр и пипетку. Рабочей жидкостью заполнена стеклянная пипетка с оттянутым заостренным открытым концом, имеющим узкий канал. Внутри пипетки расположен стеклянный фильтр, размещенный между двух металлических проволочных электродов. При введении острия датчика в кровеносный сосуд под действием пульсовой волны появляется измеряемая разность потенциалов на электродах.
Приведенным датчиком не решается техническая проблема разработки датчиков пульсовой волны, одновременно простых в реализации, надежных в диагностике и удобных для использования в экстренных случаях.
Основным недостатком известного датчика пульсовой волны является его конструкция, рассчитанная только на инвазивный способ применения. При использовании датчика с подобной конструкцией величину измеряемого электрического сигнала обеспечивает только небольшой объем рабочей жидкости, перемещающейся по узкому каналу заостренного открытого конца пипетки. Эта особенность является причиной того, что известный датчик обладает недостаточно высокой чувствительностью.
Предлагаемым датчиком пульсовой волны решается техническая проблема разработки датчиков в комплексе - простых в реализации, надежных в диагностике и удобных для использования в экстренных случаях.
Техническим результатом изобретения является достижение высокой чувствительности датчика при неинвазивном способе применения и без электронной обработки измеряемого сигнала.
Технический результат достигается датчиком пульсовой волны, содержащим электроды, при этом рабочей жидкостью заполнена камера, с которой соединена с возможностью формирования внутренних полостей камеры и перемещения рабочей жидкости между внутренними полостями камеры кремниевая микроканальная мембрана с диэлектрическим слоем на поверхности, камера снабжена упругими мембранами для возможности перемещения рабочей жидкости между внутренними полостями камеры при механическом воздействии, по крайней мере, на одну из них, во внутренних полостях камеры расположено по электроду, в отношении которых обеспечено появление разности электрических потенциалов при движении рабочей жидкости через микроканалы и разделении электрических зарядов между торцевыми поверхностями кремниевой микроканальной мембраны.
В датчике камера выполнена из двух частей, каждая из которых соединена с кремниевой микроканальной мембраной с диэлектрическим слоем на поверхности, каждая из которых снабжена упругой мембраной.
В датчике с внешней стороны одна из упругих мембран снабжена упором. В датчике каждый из электродов выполнен металлическим в виде нанесенной пленки на торцевую часть поверхности кремниевой микроканальной мембраны с диэлектрическим слоем на поверхности или прикладываемого к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с металлическими электродами в виде нанесенной пленки на торцевые части поверхности кремниевой микроканальной мембраны с диэлектрическим слоем на поверхности, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 3 - металлический электрод в виде пленки; 5 - камера, 6 - упругая мембрана, 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 2 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с металлическими электродами в виде нанесенной пленки на торцевые части поверхности кремниевой микроканальной мембраны с диэлектрическим слоем на поверхности, а также с упором на внешней стороне одной из упругих мембран, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 3 - металлический электрод в виде пленки; 5 - камера; 6 - упругая мембрана; 7 - упор; 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 3 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с выполнением одного металлического электрода в виде нанесенной пленки на торцевую часть кремниевой микроканальной мембраны с диэлектрическим слоем на поверхности с одной стороны и с выполнением второго металлического электрода, прикладываемого с другой стороны к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 3 - металлический электрод в виде пленки; 4 - металлический электрод, прикладываемый к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности; 5 - камера; 6 - упругая мембрана; 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 4 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с выполнением одного металлического электрода в виде нанесенной пленки на торцевую часть кремниевой микроканальной мембраны с диэлектрическим слоем на поверхности с одной стороны и с выполнением второго металлического электрода, прикладываемого с другой стороны к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности, а также с выполнением на упругой мембране упора, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 3 - металлический электрод в виде пленки; 4 - металлический электрод, прикладываемый к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности; 5 - камера; 6 - упругая мембрана; 7 - упор; 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 5 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с металлическими электродами, прикладываемыми к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 4 - металлический электрод, прикладываемый к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности; 5 - камера; 6 - упругая мембрана; 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 6 схематично в поперечном сечении представлен датчик пульсовой волны с металлическими электродами, прикладываемыми к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности, а также с упором на упругой мембране, где: 1 - кремниевая микроканальная мембрана; 2 - диэлектрический слой; 4 - металлический электрод, прикладываемый к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности; 5 - камера; 6 - упругая мембрана; 7 - упор; 8 - рабочая жидкость.
На Фиг. 7 представлены результаты неинвазивного измерения пульсовой волны с помощью предлагаемого датчика на плечевой артерии человека в виде записи изменения регистрируемого электрического сигнала от времени.
Достижение технического результата базируется на использовании в датчике (см. Фиг. 1-6) кремниевой микроканальной мембраны 1, целиком покрытой диэлектрическим слоем 2, например, двуокиси кремния. Кремниевая микроканальная мембрана 1 с диэлектрическим слоем 2 выполняет функцию чувствительного элемента датчика, формируя электрический отклик на пульсовую волну преобразованием механического параметра - поперечного колебательно-волнового движения стенки кровеносного сосуда - в электрический параметр - разность потенциалов на электродах, которыми снабжена кремниевая микроканальная мембрана 1.
Для выполнения указанной функции предлагаемый датчик пульсовой волны в общем случае содержит: кремниевую микроканальную мембрану 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности, электроды, камеру 5, упругие мембраны 6, рабочую жидкость 8. Кроме того, в целях реализации указанной функции обеспечено следующее.
Камера 5 заполнена рабочей жидкостью 8. Камера 5 соединена с возможностью формирования внутренних полостей камеры 5 и перемещения рабочей жидкости 8 между внутренними полостями камеры 5 с кремниевой микроканальной мембраной 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности. Камера 5 снабжена упругими мембранами 6 для возможности перемещения рабочей жидкости 8 между внутренними полостями камеры 5 при механическом воздействии, по крайней мере, на одну из них. Во внутренних полостях камеры 5 расположено по электроду к кремниевой микроканальной мембране 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности.
Соединение камеры 5 с кремниевой микроканальной мембраной 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности выполнено герметичным. Камера 5 снабжена упругими мембранами 6 с образованием герметично замкнутого объема, заполненного рабочей жидкостью 8. Поверхность кремниевой микроканальной мембраны 1 целиком покрыта диэлектрическим слоем 2.
Предлагаемый датчик пульсовой волны может иметь нижеследующие особенности его выполнения (см. Фиг. 1-6).
Камера 5 выполнена из двух частей, каждая из которых соединена с кремниевой микроканальной мембраной 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности. Каждая из частей камеры 5 (см. Фиг. 1-6) снабжена упругой мембраной 6. Соединения частей камеры 5 с кремниевой микроканальной мембраной 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности герметичны. Каждая из упругих мембран 6 выполнена с герметичной установкой.
В датчике одна из упругих мембран 6 снабжена упором 7 (см. Фиг. 2, 4, 6).
Поверхность кремниевой микроканальной мембраны 1 целиком покрыта диэлектрическим слоем 2, например двуокиси кремния. Обе торцевые части поверхности кремниевой микроканальной мембраны 1 снабжены металлическими электродами в виде нанесенной пленки, жестко связанной с поверхностями (см. Фиг. 1 и 2). Диэлектрический слой 2 электрически изолирует металлические электроды в виде пленки 3 от кремниевой микроканальной мембраны 1.
В датчике металлические электроды могут быть реализованы другим вариантом (см. Фиг. 3 и 4). Один электрод выполнен металлическим электродом в виде пленки 3, нанесенной на одну из торцевых поверхностей кремниевой микроканальной мембраны 1 с диэлектрическим слоем 2. Второй электрод выполнен как металлический электрод 4, прикладываемый к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности и не имеющий жесткой связи с другой торцевой поверхностью кремниевой микроканальной мембраны 1 с диэлектрическим слоем 2.
Кроме того, возможен третий вариант реализации электродов (см. Фиг. 5 и 6). Металлические электроды выполнены как металлические электроды 4, прикладываемые к кремниевой микроканальной мембране с диэлектрическим слоем на поверхности и не имеющие жесткой связи с торцевыми поверхностями кремниевой микроканальной мембраны 1 с диэлектрическим слоем 2.
Таким образом, в отношении электродов обеспечено появление разности электрических потенциалов при движении рабочей жидкости через микроканалы и разделении электрических зарядов между торцевыми поверхностями кремниевой микроканальной мембраны.
Функционирование предлагаемого датчика пульсовой волны осуществляется следующим способом.
Для измерения пульсовой волны датчик устанавливают упругой мембраной 6 или упором 7, если упругая мембрана 6 снабжена упором 7, на поверхности тела человека непосредственно в местах выхода артерий. При прохождении пульсовой волны поперечные колебания стенки кровеносного сосуда передаются упругой мембране 6 и от нее - рабочей жидкости 8, перемещение которой из одной внутренней полости камеры 5 в другую внутреннюю полость камеры 5 происходит через кремниевую микроканальную мембрану 1 с диэлектрическим слоем 2 на ее поверхности. В результате появляется электрический потенциал на металлических электродах.
Наличие на поверхности кремниевой микроканальной мембраны 1 диэлектрического слоя 2, например, двуокиси кремния, обеспечивает образование двойного электрического слоя внутри микроканалов, заполненных рабочей жидкостью 8, например, водой. При движении рабочей жидкости 8 через микроканалы происходит разделение электрических зарядов между торцевыми поверхностями кремниевой микроканальной мембраны 1, что сопровождается появлением разности электрических потенциалов на электродах.
При прохождении пульсовой волны разность потенциалов регистрируется в виде сигнала, изменяющегося со временем (см. Фиг. 7). На Фиг. 7 представлен типичный сигнал пульсовой волны на плечевой артерии человека с максимальной выходной разностью электрических потенциалов 60 мВ.
Предлагаемый датчик пульсовой волны с чувствительным элементом в виде кремниевой микроканальной мембраны 1 с диэлектрическим слоем 2 на поверхности обеспечивает чувствительность от 20 до 80 мВ/кПа, что на порядок больше чувствительности известного датчика, выбранного в качестве прототипа, которым достигается чувствительность лишь 3,75 мВ/кПа.