Патент на изобретение №2223031

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКТНОЙ ПОВЕРКИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ПУЛЬСА

(57) Реферат:

Изобретение относится к контрольно-измерительной аппаратуре и предназначено для метрологической аттестации средств измерений, в частности измерителей артериального давления и частоты сердечных сокращений (частоты пульса). Установка содержит имитатор пульсаций артериального давления пациента в виде цилиндра из эластичного материала, компрессионную манжету поверяемого средства измерения, рабочий эталон давления, задатчик пульсаций давления, имитирующий частоту пульса, блок управления и имитатор артерии пациента в виде эластичной трубки, жестко связанной с цилиндром и соединенной с дополнительным цилиндром из эластичного материала. Компрессионная манжета надета на трубку и цилиндр. Задатчик пульсаций давления содержит кварцевый генератор частоты и электромагнит, стержень которого находится в плотном соприкосновении с дном дополнительного цилиндра. Трубка и цилиндр заполнены жидкой средой. Трубка свободным концом соединена с камерой для гашения пульсаций, заполненной жидкой средой. Устройство обеспечивает расширение диапазона типов поверяемых средств измерений с обеспечением заданной точности при минимальной трудоемкости и уменьшении временных затрат. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной аппаратуре и предназначено для метрологический аттестации средств измерений, в частности измерителей артериального давления и частоты сердечных сокращений (частоты пульса).

Измерению артериального кровяного давления и частоты пульса во врачебной практике придают большое значение.

Известен звуковой способ измерения Короткова А.С. Довольно простому в использовании аскультативному способу присущи недостатки – расхождение звуковых данных с истинными величинами кровяного давления, определяемыми непосредственно в кровяном русле, а также чрезвычайная изменчивость максимального и минимального давления от всевозможного рода физиологических влияний (В. А. Макаров. Артериальная осциллография во врачебно-спортивной практике. Государственное издательство медицинской литературы, Медгиз. – 1958. – Москва, стр.3) – [1].

Известен осциллометрический способ определения кровяного давления, сущностью которого является измерение величины пульсовых размахов артериальной стенки (осцилляций) при различных степенях давления ее пневматической манжеткой [1, стр.4].

Более совершенным способом по сравнению с осциллометрией является осциллография, т. е. автоматическая запись на бумажную ленту величины давления в манжетке. Здесь возможно определение величины кровяного давления в условиях шума [1, стр.4-9].

Известна аппаратура для измерения артериального давления и частоты пульса: артериальный осциллограф Серкина Л.Г. и артериальный осциллограф завода-изготовителя “Красногвардеец” [1, стр.10-13]. В основе работы такой аппаратуры лежит принцип мембранной регистрирующей капсулы. Артериальный осциллограф имеет резиновую мембрану, стержень, воспринимающий колебания мембраны и передающий их на писчик, манжетку, сжимающую артерию, воздушный баллон, резиновые трубки с капиллярными сужениями, насос с краном, кран-сепаратор, краны для быстрого и медленного выпуска воздуха, ртутный манометр с поплавком, несущим приспособление для записи давления, и движущуюся ленту для записи осциллограммы.

Для измерения давления крови, а также частоты пульса аппаратура должна отличаться высокой чувствительностью, точностью измерения и регулирования, портативностью, что делает ее удобной для применения как с научно-исследовательской целью, так и во врачебной практике.

Для обеспечения нормированных значений погрешностей измерений эта аппаратура подвергается как первичной, так и периодическим поверкам.

Существует методика поверки приборов и преобразователей для измерения давления крови прямым методом, по которой выполняются операции при выпуске из производства, ремонте, эксплуатации и хранении: внешний осмотр; проверка герметичности; проверка работоспособности; определение основной погрешности; определение частоты резонанса и др.

Установка для поверки и градуировки приборов и преобразователей для измерения давления крови прямым методом разработана и аттестована во ВНИИФТРИ (Методика поверки приборов и преобразователей для измерения давления крови прямым методом МИ 91-76, Издательство стандартов, Москва, 1976) – [2]. В установку входят пневмопресс-задатчик давления и разряжения, мановакуумметр, генератор переменного давления, усилитель мощности, прибор контроля давления в камере генератора, генератор электрический низкочастотный, вольтметр постоянного тока, вольтметр переменного тока, осциллограф и зонд (катетер или полая игла).

После внешнего осмотра и опробования проводят определение нормированных метрологических характеристик.

Основную погрешность прибора определяют путем сравнения его показаний с действительным давлением, устанавливаемым по мановакуумметру с помощью пневмопресса-задатчика давления. Погрешность в нескольких точках отсчета при повышении и понижении давления не должна превышать значения, указанного в нормативной и технической документации на поверяемое средство измерения.

Частоту резонанса определяют путем подачи на вход поверяемого средства переменного давления синусоидальной формы с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой. Блок-схема соединения средств поверки и поверяемого средства состоит из последовательно соединенных низкочастотного генератора, усилителя мощности и генератора переменного давления, прибора контроля давления, вход которого соединен с первым выходом генератора переменного давления, осциллографа, подключенного ко второму выходу усилителя мощности и к прибору контроля давления и вольтметра, при этом вольтметр непосредственно, а генератор через зонд подключены к поверяемому прибору или преобразователю [2, стр.4-6].

При проведении поверки прибора выполняют следующие операции: зонд подсоединяют к камере генератора переменного давления с помощью специального уплотнительного устройства; камеру первичного преобразователя, зонд и камеру генератора переменного давления заполняют жидкостью и с помощью имеющихся кранов изолируют от атмосферного давления, после чего проверяют отсутствие пузырьков воздуха в камерах, при наличии пузырьков воздуха сливают жидкость и заполняют камеру заново; используя аттенюатор низкочастотного генератора, на определенной частоте устанавливают выходное напряжение, соответствующее номинальной амплитуде давления; с помощью прибора контроля давления и осциллографа проверяют амплитуду и форму кривой давления в камере генератора; увеличивают частоту, добиваясь максимального значения напряжения на выходе поверяемого средства. Частота резонанса должна быть не меньше значения, указанного в технической документации на поверяемое средство.

Недостаток такой блок-схемы заключается в том, что она позволяет поверить только измерители артериального давления.

Известна установка для поверки измерителей артериального давления и частоты пульса автоматических и полуавтоматических OMRON и MARSHALL и другие фирмы “OMRON CORPORATION”, предназначенных для измерений систолического и диастолического давления косвенным осциллометрическим методом и частоты пульса пациента (Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерители артериального давления и частоты пульса автоматические и полуавтоматические OMRON и MARSHALL. Методика поверки МИ 2582-2000. Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) Госстандарта России, Москва, 2000) – [3].

Для проведения поверки установка содержит следующие средства: прибор для испытаний измерителей артериального давления, манжеты, цилиндры для компрессионных манжет, имитатор (задатчик) пульсаций давления в компрессионной манжете, жесткие камеры, нагнетатель воздуха, электронные блоки, пневмосистему со специальными металлическими и пластмассовыми штуцерами, трубками, заглушками и переходниками для подключения к пневмосистеме приборов.

После проведения внешнего осмотра прибора проводят опробование его, которое выполняют при имитации пульсаций давления, возникающих в компрессионной манжете прибора в процессе измерений систолического и диастолического давления, с помощью имитатора пульсаций давления в компрессионной манжете измерителя артериального давления (ИПДМ) или вручную путем легкого периодического нажатия на манжету, надетую на цилиндр, для чего подсоединяют прибор к ИПДМ или надевают манжету на цилиндр и подсоединяют манжету к электронному блоку прибора. Согласно указаниям ЭД включают прибор и после самотестирования на экране дисплея появляется информация, свидетельствующая о готовности прибора к работе. В процессе медленного стравливания или нагнетания воздуха (в зависимости от типа приборов, измеряющих давление во время стравливания из манжеты или нагнетания воздуха в манжету) создают пульсации давления, имитирующие пульсации давления в манжете в процессе измерений систолического и диастлического давления. По окончании цикла измерений на дисплее высвечиваются показания измеряемых давлений и частоты пульса. Проверяют возможность ввода данных в память прибора и последующего вызова их из памяти (для приборов с памятью) и записи их на принтер (для приборов с принтером). Для проверки функционирования переключателя предварительной установки давления подсоединяют манжету к электронному блоку прибора и надевают манжету на цилиндр. С помощью компрессора прибора (для автоматических приборов) или нагнетателя ручного пневматического (для полуавтоматических приборов) создают давление в пневмосистеме прибора.

Для определения основной погрешности прибора при измерениях избыточного давления в компрессионной манжете отсоединяют компрессионную манжету (для автоматических и полуавтоматических приборов) и нагнетатель ручной пневматический (для полуавтоматических приборов) от электронного блока прибора. Согласно указаниям ЭД эталонного средства измерений (ЭСИ) и прибора подсоединяют к пневмосистеме электронного блока прибора пневмотестер или другое ЭСИ и жесткую камеру с помощью специальных штуцеров, заглушек и трубок, перекрывающих клапан стравливания прибора. Задают избыточное давление в пневмосистеме прибора, последовательно изменяя его ступенями, и снимают в каждой точке показания прибора и ЭСИ при повышении давления и при снижении давления в зависимости от типа прибора, по которым вычисляют основные абсолютную и относительную погрешности прибора.

Установка требует специальных приспособлений, которые нельзя применять для приборов других типов, кроме того, в электронном блоке поверяемого прибора должны содержаться определенные тестовые программы, не имеющиеся у других приборов.

В процессе поверки, согласно МИ 2582-2000, только на этапе опробования имитируется реально протекающий процесс – измерение давления и частоты пульса у пациента. Это связано с тем, что пульсации, имитирующие артериальные пульсации, подаваемые в воздушную среду манжеты, весьма слабы и поверяемый прибор может не сработать, тогда процедуру рекомендуется повторять. Заливать в манжету жидкость для усиления воздействия пульсаций нельзя – прибор можно вывести из строя. Поэтому поверку при измерении частоты пульса проводят с применением специальной камеры без манжеты, т.е. происходит отход от имитации реального процесса, что может привести к методической погрешности.

Таким образом, такой установке свойственны недостатки:
– применимость для поверки ограниченного количества типов приборов;
– наличие методической погрешности измерений при поверке, связанной с вынужденным отходом от имитации процесса измерений, происходящего в действительности;
– наличие большого количества разнородных элементов, вызванного необходимостью проведения поверки в одной точке (систолическое, диастолическое давление и частота пульса) за несколько приемов;
– невозможность проведения комплектной поверки, при которой определяют метрологические характеристики средства измерения, присущие ему как единому целому. В данном случае возможна только поэлементная поверка, которую проводят, когда неосуществима комплектная поверка (РМГ-29-99, п.п.13.20 и 13.21. Рекомендации по межгосударственной стандартизации, ГСИ. Метрология. Основные термины и определения, ИПК, Издательство стандартов, 2000) – [4].

Для сравнительного анализа с заявляемым изобретением принята установка для поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса, содержащая цилиндр, имитирующий руку пациента, для компрессионной манжеты поверяемого средства измерения, рабочий эталон давления, задатчик пульсаций давления, имитирующий частоту пульса, устройство нагнетания воздуха и элементы соединения пневмосистемы, а также содержащая блок управления, первый выход которого соединен со входом рабочего эталона, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй выход которого соединен со входом задатчика пульсаций давления, задающего частоту пульса на цилиндр из эластичного материала, заполненный жидкой средой, выход которого соединен со вторым входом блока управления, при этом элемент соединения пневмосистемы является входом установки для подключения устройства нагнетания воздуха к рабочему эталону давления и компрессионной манжете поверяемого средства измерений, надетой на цилиндр.

В установке задатчик пульсаций давления содержит кварцевый генератор частоты и электромагнит, стержень которого выполнен с упором в эластичное дно цилиндра для передачи пульсаций давления через масло на манжету с частотой, задаваемой генератором (Гогин В.А., Варгин А.А., Каратаев Р.Н. Устройство для поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса. Заявка на изобретение 2001121612/14(022965) от 31.07.2001 г. , А 61 В 5/02) – [5].

В установке для поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса сосуд цилиндрической формы (цилиндр), имитирующий руку пациента, выполнен из эластичного тонкостенного пластика или резины и заполнен деаэрированным техническим маслом. На цилиндр надевается компрессионная манжета поверяемого тонометра, который может иметь как встроенное, так и обособленное устройство нагнетания воздуха в манжету. Задатчик пульсаций давления состоит из кварцевого генератора и электромагнита, стержень которого плотно соприкасается с эластичным дном цилиндра. Работой установки управляет блок управления, собранный на базе персонального компьютера, связанный с кварцевым генератором задатчика пульсаций давления (частоты пульса) и рабочим эталоном давления, который обрабатывает поступающую измерительную информацию и выдает управляющие импульсы. Кварцевый генератор частоты имитирует частоту пульса в диапазоне 0,5-4 Гц (30-240 ударов в минуту) с дискретностью 0,5 Гц и пределами относительной погрешности 0,1%. Устройство нагнетания воздуха пневмосистемой через элемент соединения (тройник, если устройство нагнетания воздуха в манжету встроенное, или крестовина, если обособленное) подключено к компрессионной манжете и рабочему эталону давления. При таком подключении нагнетаемый воздух с одной стороны подается в манжету, с другой – в рабочий эталон, представляющий собой измерительный преобразователь давления цифровой (ИПДЦ) с пределами допускаемой относительной погрешности 0,05%.

Поверку тонометров проводят следующим образом:
– В блок управления заносят эталонные значения измеряемых величин в поверяемой точке (Р_в0, Р_н0, f₀).

– Воздух от устройства нагнетания поступает в манжету и в ИПДЦ, при этом сигнал с последнего постоянно поступает в блок управления и давление накачиваемого воздуха высвечивается на индикаторе.

– Как только давление в манжете превысит установленную величину, составляющую 1,25 Р_в0, нагнетание воздуха прекращают.

– Открывают выпускной вентиль на поверяемом тонометре, давление в пневмосистеме начинает уменьшаться, при этом его непрерывно измеряют с помощью ИПДЦ, сигнал с которого поступает в блок управления.

– Как только давление в пневмосистеме упадет до значения Р_н0, блок управления дает команду на кварцевый генератор частоты, который запускает колебания стержня электромагнита с частотой f₀.

– Пульсации давления от колебаний стержня электромагнита через дно цилиндра, затем через масло в этом цилиндре передаются на манжету и поверяемый тонометр фиксирует значение Р_в.

– Воздух продолжают стравливать дальше, и как только давление в пневмосистеме достигнет значения Р_н0, блок управления даст команду на прекращение колебаний стержня электромагнита – поверяемый тонометр зафиксирует значения Р_н и f. Затем на его дисплее появятся цифры (Р_в, Р_н, f), которые сравниваются с эталонными значениями измеряемых величин в данной точке (Р_в0, Р_н0, f₀) по формулам
_рв = (P_в-P_в0)/P_в0100% (1)
_рн = (P_н-P_н0)/P_н0100% (2)
_f = (f-f₀)/f₀100% (3)
Аналогично тонометр поверяют еще в нескольких точках, после чего принимают решение о его пригодности или непригодности для дальнейшего применения.

Недостатками прототипа являются
– во-первых, необходимость отсоединения компрессионной манжеты от поверяемого тонометра для их подключения через элемент подсоединения (тройник или крестовину) к пневмосистеме установки, тогда как у ряда типов тонометров отсоединение манжеты конструктивно не предусмотрено, и, следовательно, поверку такого тонометра провести на этой установке невозможно;
– во-вторых, у установки-прототипа пульсации давления, имитирующие артериальные, передаются на компрессионную манжету через весь цилиндр, имитирующий руку, тогда как в реальном процессе пульсации давления передаются только по артерии. В результате при поверке возможно возникновение методической погрешности, вызванной неадекватностью модели и реального процесса.

Решаемая заявляемым изобретением техническая задача – создание универсальной установки для комплектной поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса, обеспечивающей расширение диапазона типов поверяемых средств измерений с обеспечением заданной точности при минимальной трудоемкости и уменьшении временных затрат.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где представлена установка для комплектной поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса (тонометра).

Здесь:
1 – цилиндр, имитирующий руку пациента;
2 – компрессионная манжета;
3 – поверяемый прибор (тонометр);
4 – кварцевый генератор;
5 – электромагнит;
6 – блок управления;
7 – рабочий эталон давления;
8 – дополнительный цилиндр гидросистемы;
9 – трубка, имитирующая артерию пациента;
10 – камера гидросистемы;
11 – трубка гидросистемы.

Установка состоит из тонкостенного сосуда цилиндрической формы (цилиндра) 1, имитирующего руку пациента, выполненного из эластичного материала (резина или пластик) и заполненного деаэрированным техническим маслом. К цилиндру 1 плотно приклеена эластичная трубка 9, имитирующая артерию, которая также заполнена деаэрированным техническим маслом.

На цилиндр 1 вместе с трубкой 9 надевается компрессионная манжета 2 поверяемого тонометра 3.

Задатчик пульсаций состоит из кварцевого генератора 4 и электромагнита 5, стержень которого плотно соприкасается с эластичным дном дополнительного цилиндра 8 гидросистемы, который затем переходит в эластичную трубку 9, которая, в свою очередь, оканчивается камерой 10, являющейся гасителем пульсаций (для устранения обратных волн). Электромагнит колеблет стержень, который, толкая эластичное дно цилиндра 8, передает пульсации через масло в трубке 9 на компрессионную манжету 2, имитируя тем самым частоту пульса в диапазоне 0,5-4 Гц (30-240 ударов в минуту) с дискретностью 0,5 Гц и пределами относительной погрешности 0,1%.

Цилиндр 1 соединен с рабочим эталоном давления 7, представляющим собой измерительный преобразователь разности давления (дифманометр) с пределами допускаемой относительной погрешности 0,075% в диапазоне измерения от 4 до 40 кПа (30-300 мм рт.ст.). Плюсовая камера дифманометра 7 соединена трубкой 11 пневмосистемы с цилиндром 1, а минусовая камера связана с атмосферой. Здесь достигается более точное измерение малых избыточных давлений, чем манометром избыточного давления.

Работой установки управляет блок управления 6, собранный на базе персонального компьютера. В блок управления 6 заносится исходная информация, используемая при поверке, сюда же поступают сигналы с рабочего эталона давления 7, которые затем обрабатываются, отсюда же выдаются команды на электромагнит 5 кварцевого генератора.

Поверку тонометров осуществляют следующим образом:
– В блок управления 6 заносят эталонные значения измеряемых величин в поверяемой точке (Р_в0, Р_н0, f₀).

– Воздух от устройства нагнетания (не показано) поступает в манжету 2 и по трубке 11 в дифманометр 7, при этом сигнал с последнего постоянно поступает в блок управления 6, и давление накачиваемого воздуха высвечивается на индикаторе.

– Как только давление в манжете 2 превысит установленную величину Р_н0, блок управления 6 даст команду на кварцевый генератор частоты 4, который запускает колебания стержня электромагнита 5 с частотой f₀. Пульсации давления от колебаний стержня через дно цилиндра 8, затем трубку 9 передаются на манжету 2 и через нее – в поверяемый тонометр.

– Как только давление в гидросистеме возрастет до значения _в0, блок управления 6 дает команду на кварцевый генератор частоты 4, который прекращает колебания стержня электромагнита 5 с частотой f₀.

– Согласно программам, заложенным в автоматизированные тонометры, после превышения давления в манжете систолического значения Р_в0 устройство нагнетания не выключают и давление в манжете еще некоторое время продолжает повышаться. В случае полуавтоматизированных тонометров нагнетание воздуха указанным образом проводится в ручном режиме.

– Затем открывают выпускной вентиль на поверяемом тонометре и давление в манжете начинает уменьшаться, при этом его непрерывно измеряют с помощью дифманометра 7, измерительный сигнал с которого передается в блок управления 6.

– Как только давление в манжете упадет до значения Р_в0, блок управления 6 даст команду на кварцевый генератор частоты 4, который запускает колебания стержня электромагнита 5 с частотой f₀.

– Воздух продолжают стравливать дальше, и как только давление в гидросистеме достигнет значения Р_н0, блок управления 6 дает команду на прекращение колебаний стержня электромагнита 5. Затем на дисплее поверяемого тонометра появляются цифры (Р_в, Р_н, f), которые сравнивают с эталонными значениями измеряемых величин в данной точке (Р_в0, Р_н0, f₀) по формулам (1)-(3).

Аналогично тонометр поверяют еще в нескольких точках, после чего принимают решение о его пригодности или непригодности для дальнейшего применения.

Таким образом, решаемая задача достигается, с одной стороны, передачей давления через гидравлическую систему без нарушения целостности поверяемого тонометра, с другой стороны, пульсации давления передаются через тонкую трубку, имитирующую артерию, как это происходит в реальности. У прототипа оба эти признака отсутствуют.

Установка для поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса реализуема и работоспособна. Она разработана и создана в Татарстанском Центре стандартизации, метрологии и сертификации г. Казани.

Формула изобретения

1. Установка для комплектной поверки автоматизированных средств измерений артериального давления и частоты пульса, содержащая имитатор пульсаций артериального давления пациента в виде цилиндра, выполненного из эластичного материала, компрессионную манжету поверяемого средства, рабочий эталон давления, задатчик пульсаций давления, имитирующий частоту пульса, блок управления, первые вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом рабочего эталона давления, а вторые вход и выход – соответственно с выходом и входом задатчика пульсаций, отличающаяся тем, что она содержит имитатор артерии пациента в виде эластичной трубки, жестко связанной с цилиндром и соединенной с дополнительным цилиндром из эластичного материала, причем задатчик пульсаций давления выполнен с возможностью задания частоты пульса на дополнительный цилиндр и через него – на компрессионную манжету поверяемого средства, надетую на трубку и цилиндр, который соединен с рабочим эталоном давления, при этом цилиндры и трубка заполнены жидкой средой.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что задатчик пульсаций давления содержит кварцевый генератор частоты и электромагнит, стержень которого находится в плотном соприкосновении с дном дополнительного цилиндра.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трубка соединена свободным концом с камерой для гашения пульсаций, заполненной жидкой средой.

РИСУНКИ