Прибор для определения механических свойств биоткани

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

"Юго-западный государственный университет"

(ЮЗГУ)

Кафедра Биомедицинской инженерии

Курсовой проект

по дисциплине "Измерительные преобразователи и электроды"

на тему "Прибор для определения механических свойств биоткани"

Автор работы (проекта) Г.Н. Романов

Руководитель работы (проекта) С.А. Филист

Курск - 2014

Содержание

Введение

1. Обзор методов измерения механических свойств биоткани

2. Назначение прибора

3. Разработка и обоснование структурной схемы прибора

4. Разработка принципиальной электрической схемы прибора

5. Разработка первичного преобразователя

6. Расчет усилительного каскада

7. Выбор схемы индикации

8. Энергетическое обеспечение прибора

9. Расчет погрешностей

Заключение

Список используемых источников

Введение

Всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические надежно заняли место во многих областях естествознания, и особенно в медицине. В наши дни представить с врача, который занимается диагностикой заболеваний и лечением, не опираясь на множественные достижения таких наук радиоэлектроники, микроэлектроники, метрологии, материаловедения. Большая часть диагностических и терапевтических аппаратов и систем, так или иначе, содержат в себе множество всевозможных преобразователей и электродов, без которых, невозможна работа этой системы. биоткань электрический преобразователь

Цель данного курсового проекта: получение навыков в выборе и расчете первичных преобразователей, в выборе методов и расчете устройств аналого-цифрового преобразования и индикации для измерительных приборов, используемых при биомедицинских исследованиях, в определении метрологических характеристик прибора, а также в технологической и конструкторской проработке разрабатываемого изделия.

Для курсового проектирования был выбран датчик механических свойств биоткани, а именно ее упругости с резистивным первичным преобразователем.

1. Обзор методов измерения механических свойств биоткани

При изучении механических свойств биоткани наиболее часто используют понятия: упругость, эластичность и твердость.

Упругость - свойство тела сопротивляться изменению его формы и объема при действии на него механического напряжения, сопровождающееся увеличением внутренней энергии.

Эластичность - способность тела или материала упруго и при этом обратимо деформироваться без разрушения при относительно небольших усилиях.

Изучение упругости проводят измерением деформаций или линейных перемещений под воздействием механического напряжения. Такие измерения получили название тензометрия, а соответствующие датчики, которые воспринимают деформации и преобразуют их в изменение электрического параметра - тензодатчики.

В исследовании механических свойств тканей используют сдвиговую деформацию, возникающую при вращении. В основе такого метода лежит принцип смещения кольцевого участка ткани, который образован двумя концентрическими окружностями. Обойма и втулка при измерениях фиксируются клейким веществом. При нагрузке на втулку постоянным крутящим моментом, она поворачивается на угол, зависящий от механических свойств биоткани. Этот угол является критерием для сопоставления механических свойств различных участков кожи.

Этот метод требует жесткого крепления вращающих элементов приборов. Крепление осуществляется либо при помощи липких лент, либо клеями, однако это вызывает неприятные ощущения у пациентов.

Более выгодным является метод вдавливания, который широко используется для определения твердости, одного из важнейших параметров, который характеризует механические свойства биоткани/материалов. Сущность этого метода состоит в определении способности испытуемого образца сопротивляться внедрению в него твердого индентора под действием определенной заранее силы. Недостатком этой характеристики является то, что твердость не является постоянной физической величиной для материалов. Обработка результатов измерения твердости кожи методом вдавливания весьма затруднительна.

Известно устройство для определения мышечного тонуса (Авт. св. N 1026767, А 61 В 5/10, 1983), которое цилиндрический корпус, с закрепленной в нем первой упругой пластинкой, с другой стороны закрепленной на стакане, на котором установлена вторая упругая пластинка, ктоторая соединена со штоком, на котором установлен пелот, с противоположных сторон упругих пластинок расположены тензодатчики, которые подключены к усилителям. Рабочие поверхности пелота и стакана имеют токопроводящее покрытие, которое изолировано от корпусов стакана и пелота, снабженное электродами, связанными с электростимулятором.

К недостаткам данного прибора можно отнести низкую точность измерений. Это связано с тем, что корпус и стакан размещаются непосредственно на исследуемой поверхности, что приводит к ее деформации и, следовательно, уже измеряются свойства нагруженной поверхности объекта, включающей в себя и такой фактор как физиологическая реакция организма на внесенное возмущение (в данном случае на массу всего устройства). Во-вторых, низкая точность измерения силы и величины внедрения пелота, обусловлена тем, что между штоком и стаканом и стаканом и корпусом существует ощутимая сила трения, что приводит к возникновению зоны нечувствительности, то есть малые перемещения штока, стакана и корпуса относительно друг друга не будут зафиксированы и следовательно, измеряться.

Еще одним недостатком устройства является малая производительность измерений, связанная тем, что корпус и стакан при установке пелота на исследуемый участок затрудняют визуальный контроль положения пелота, а это может привести к неточной его установке. При исследовании механических свойств биоткани вдоль поверхности из-за неправильной установки пелота увеличивается общее время проведения измерений, что приводит к их малой производительности.

Известно устройство для определения механических свойств биологических тканей Патент РФ N 2061405 A 61 B 5/00 10.06.1996 г. Недостатком устройства является то, что при деформации биоткани, ее механические свойства меняются, поэтому необходимо фиксировать усилие, приложенное к ткани. Одним фиксатором является биоткань, а другим - рука оператора, то есть тоже биоткань. Кроме того, прибор не позволяет измерять механические свойства биоткани при сшивании ее в открытой ране.

2. Назначение прибора

Проект курсовой работы относится к медицинской технике и может быть использован для определения механических свойств биологических тканей.

Так же возможно использование в научных исследованиях в области физиологии человека, для изучения механических свойств ткани.

Разработанный прибор обладает такими преимуществами, как малое энергопотребление, простота конструкции, износоустойчивость, линейная характеристика выходного сигнала, удобное использование.

3. Разработка и обоснование структурной схемы прибора

Структурная схема прибора представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема прибора для измерения механических свойств биоткани.

Источник питания представляет собой батарею типа крона 9В. Измерительный резистор представляет собой подстроечный резистор СА 6. Предложенная схема включения позволяет получить на выходе напряжение, эквивалентное входному сигналу. Для достижения амплитуды сигнала, необходимой для перехода к схеме индикации в приборе предусмотрен усилительный каскад. Схема индикации представляет собой стрелочный индикатор M1001M. Данная схема позволяет в полной мере осуществить поставленную задачу.

4. Разработка принципиальной электрической схемы прибора

Рис. 3. Принципиальная схема прибора.

Рассчитаем сопротивления сопротивление для измерительного резистора.

Измерительный резистор обладает линейной (в процентах) зависимостью изменения значения сопротивления от угла поворота подвижного контакта. Максимальный угол поворота подвижного контакта 235°. Максимальное сопротивление 5Мом. Т.о. 1% от максимального угла поворота составляет 2,35°, а соответствующее ему значения сопротивления будет равно 50кОм.

Механическая часть первичного преобразователя будет обеспечивать угол поворота подвижного контакта на 60°, соответствовать которому будет значение сопротивления 1.3Мом.

В итоге

Где I - сила тока в цепи, S - перемещение штока

Сила натяжения ткани будет пропорциональна удлинению тензорезистора и выходному напряжению с коэффициентом К, определяемом на практике.

5. Разработка первичного преобразователя

В данном приборе датчиком является преобразователь, состоящий из механической и потенциометрической частей. Он позволяет преобразовать механическое движение в изменение сопротивления подстроечного измерительного резистора, пропуская через который постоянный ток можно получить изменение напряжения, которое можно вывести на индикатор.

Механическая часть представляет собой кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования поступательного движения во вращательное движение колеса, жестко закрепленного на оси, с одной стороны закрепленной в корпусе, а с другой подведенной к измерительному резистору.

Потенциометрическая часть являет собой подстроечный измерительный резистор, к которому прикладывается питающее напряжение.

Входная характеристика датчика - угловое смещение подвижного контакта, снимающего ток. Выходной же характеристикой является напряжение, которое меняется по абсолютной величине в зависимости от положения подвижного контакта

К преимуществам можно отнести простоту конструкции, малые габариты, линейность статических характеристик и их стабильнсоть, возможность работы, как на переменном, так и на постоянном токе.

Рис. 3. Внешний вид подстроечного резистора.

В датчике, измеряющем механические свойства биоткани, используется подстроечный резистор CA6V, с поворотным подвижным контактом. Резистивным элементом является карбоновая пленка Максимальный угол поворота 235°.

Диапазон сопротивлений: R=100Ом... 5МОм; Рабочая температура: -25°С до +70°С.

Рис.4. Конструкция датчика.

При разработке конструкции датчика использовался патент РФ 2061405 A61B5/00 (Авторы: Казаков В.В.; Кравец Л.Я.; Фраерман А.П.

На чертеже приведена функциональная схема устройства. Устройство для определения механических свойств биологических тканей в открытой операционной ране при их сшивании содержит корпус 1 (отображен в разрезе), измерительный шток 2, который соединен одним концом с пелотом 3, а другим с шатуном 4, тарированную пружину 5, соединенную с корпусом и измерительным штоком, колесо 6, закрепленное на оси 7 подстроенный резистор 8, шкалу 9, проградуированную в ньютонах (на рисунке не показана).

Радиус колеса равен длине штока и равен 3см. Смещение штока, необходимое для поворота колеса и оси на 60°, рассчитывается по формуле

,

где r - радиус колеса, l - длина шатуна.

Пружина выбрана жесткостью 1000Н/м. Для необходимого смещения штока понадобится усилие около 20Н, что не причинит неприятных болевых ощущений пациенту. Шкала соответственно проградуирована в Ньютонах с минимальным шагом в 1мм, что будет соответствовать силе нажатия в 1Н.

Устройство работает следующим образом. Нужно взять в руки корпус 1.Далее нужно установить пелот 3 так, чтобы измерительный шток 2 был перпендикулярен исследуемому участку биоткани. Далее, путем надавливания, перемещают корпус 1 вдоль измерительного штока 2, тем самым погружая пелот 3 в ткань. Вместе с этим измерительный шток 2 перемещается в направлении корпуса 1, до определенного значения силы воздействия пелота 3, которая отмечена на шкале 9, на исследуемую ткань. Измерительный шток 2 приводит в движение шатун 4, колесо 6, вместе с которым вращается ось 7. Ось вращает подвижный контакт подстроечного резистора 8, изменяя его сопротивление. Через измерительный резистор пропускается постоянный ток от источника напряжения, и изменение сопротивления изменит выходное напряжение, что отразится на показаниях стрелочного индикатора.

Для определения коэффициента упругости биоткани, данное устройство позволяет определить глубину погружения штока в исследуемую ткань при давлении с заранее известным фиксированным усилием. Зная силу давления и смещение штока мы можем определить коэффициент упругости, используя закон Гука: F=kx, k=F/x, где F сила нажатия, х- глубина внедрения штока, k - искомый коэффициент упругости.

6. Расчет усилительного каскада

В данном устройстве будет использоваться микросхема INA 118 фирмы Texas Instruments.

Рисунок 4. Принципиальная схема инструментального усилителя.

Коэффициент усиления данного инструментального усилителя задается с помощью внешнего резистора, применительно к нашей принципиальной схеме - R7. Коэффициент усиления сигнала и номинал этого резистора связаны между собой следующим соотношением:

,

следовательно, для обеспечения усиления полезного сигнала в 7 раз

Ом.

По ряду сопротивлений Е 24 выбираем резистор номиналом 8,2кОм.

Микросхема имеет широкий диапазон питания от ±1.35В до ±18В.

7. Выбор схемы индикации

В качестве устройства индикации задан стрелочный индикатор. Его достоинствами являются наглядность представления информации и простота использования. Оператор легко сможет определить минимальное отклонение стрелки. В то же время, недостатком стрелочных приборов являются временные затраты на установление стрелки и снятие показаний.

Выберем стрелочный индикатор магнитоэлектрической системы M1001M. Он представляет собой аналоговый вольтметр с классом точности 1.5. Диапазон измерений у данного прибора до 15В. Приборы магнитоэлектрической системы обладают высокой чувствительностью на малых токах и линейностью шкалы, однако имеют малую перегрузочную способность по току.

8. Энергетическое обеспечение прибора

Питание устройства осуществляется от двух батарей типа "Крона" (9В), и от батареи 1.5В. Одна из которых служит для питания инструментального усилителя, другая для создания опорного напряжения.

9. Расчет погрешностей

Данное устройство состоит из следующих блоков: блок питания, измерительный потенциометрический преобразователь, усилительный тракт и блок индикации.

Так как потенциометрический преобразователь являет собой подстроечный резистор с допуском 10% процентов, то это значение и будет величиной его аддитивной погрешности.

с.к.о..

Погрешность приборов, измеряющих электрические величины по стандарту, должна быть указана с учетом запаса на старение. Поэтому предельную погрешность индикатора можно оценить как, где - основная погрешность, которая соответствует классу точности прибора. .

Так же аддитивную погрешность имеют резисторы, используемые в приборе. Они выбраны из ряда Е 24 с допуском ±5 %.

Источники напряжения имеют аддитивные погрешности. Для батарейки 1.5В - 7%, для батарейки 9В - 2.2%.

Усилитель имеет аддитивную погрешность, связанную сосмещением нуля.

Так как дрейф нуля связан с температурой, то погрешность, связанная с дрейфом нуля равна

.

Так как усилительный блок содержит три ОУ, то для расчета суммарной аддитивной погрешности используем таблицу 1.

Таблица 1 - Функциональные узлы, входящие в блок усиления, и их аддитивные погрешности

Суммарная аддитивная погрешность равна

.

Мультипликативная погрешность ОУ распределяется по треугольному закону, следовательно,

.

Блок усиления содержит три ОУ, для расчета его мультипликативной погрешности воспользуемся таблицей 2.

Таблица 2 - Функциональные узлы, входящие в блок усиления, и их мультипликативные погрешности

Мультипликативные погрешности узлов усилительного каскада являются коррелированными, так как все ОУ питаются от источника, следовательно, согласно правилу суммирования СКО коррелированных величин, суммарная мультипликативная погрешность блока усиления: 0,1553=0,465%.

Заключение

В ходе проделанной работы мною было разработано устройство для определения механических свойств биологических тканей. Данное устройство является портативным прибором и питается автономно, что позволяет использовать его не только в стационаре, а в любых условиях.

Список используемых источников

Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС; Пер. с англ.- М.;Мир,1985.-572 с.

Ладик А.И., Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. - 592 с

Левшина Е.С.,Новицкая П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. отделение, 1983.-320 с.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник./Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок.-Мн.:Белорусь,1994.-591с.

ГОСТ 12.2.025-76. Изделия медицинской техники. Электробезопасность.

Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. - Мир, 1989.-196 с.

Размещено на Allbest.ru