CC BY
13
удк 534.2:532
А. В. Рудин, А. С. Руськин, С. К. Перевертин
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В РЕЖИМЕ БАЛЛОННОЙ ДИЛАТАЦИИ
Аннотация. Приведено описание лабораторного измерительного комплекса, позволяющего проводить исследования сигналов акустической эмиссии, возникающих в извлеченных сосуда в режиме баллонной дилатации. Предлагаемая экспериментальная установка позволяет осуществлять запись слабых акустических сигналов, полученных при баллонной дилатации извлеченных сосудов и своевременно определить пороговое предельное механическое напряжение стенок сосуда. Анализ полученной временной записи акустических сигналов позволит следить за ходом процесса баллонной дилатации и в автоматическом режиме управлять процессом расширения сосудов.
Ключевые слова: баллонная дилатация, сосуды, стенд, катетер, измерительный комплекс, механическое напряжение, акустическая эмиссия, сигнал, автоматический режим.
В настоящее время в медицинской практике успешно применяются технологии проведения операций по сохранению органов. Такие операции позволяют восстанавливать пораженный стенозом участок. Одним из таких эффективных малоинвазивных методов лечения является метод баллонной дилатации извлеченных кровеносных сосудов [1]. При баллонной дилатации происходит расширение сосуда, которое сопровождается возникновением эффекта акустической эмиссии в процессе создания в сосуде механических напряжений. Регистрация сигналов акустической эмиссии в процессе баллонной дилатации сосуда и выявление некоторых характерных особенностей этих сигналов позволит осуществлять объективный контроль проводимой процедуры.
Важный этап в создании методики - этап экспериментального исследования поведения сосуда в процессе баллонной дилатации. Исследование поведения элементов конструкций и конструкционных материалов свидетельствует о возникновении эффекта акустической эмиссии в процессе создания в материалах механических напряжений.
Как следует из проведенных исследований кровеносных сосудов [2], эффект акустической эмиссии наблюдается и при возникновении механических напряжений в стенке сосуда при проведении процедуры баллонной дилатации. Этот факт позволяет предположить, что регистрация сигнала акустической эмиссии в процессе расширения сосуда и выявление некоторых характерных особенностей этого сигнала позволят осуществлять объективный контроль проводимой процедуры.
Одним из методов неразрушающего контроля, применяемого в машиностроении при решении задачи диагностики конструкционных материалов, является метод акустической эмиссии [3]. В его основу положены зависимости между характеристиками образовавшихся или распространяющихся дефектов и параметрами излучаемых ими волн. В настоящее время метод акустической эмиссии широко используется не только для исследовательских целей, но и как неразрушающий метод контроля инженерных конструкций и сооружений.
Метод акустико-эмиссионного неразрушающего контроля, широко применяемый в материаловедении и машиностроении, основан, как правило, на регистрации и последующей обработке параметров акустических сигналов ультразвукового диапазона, сопровождающих локальную перестройку структуры материала, зарождение и развитие микро- и макродефектов [3, 4]. Однако частотный спектр сигналов при акустической эмиссии чрезвычайно широк. По этой причине при исследовании ряда процессов интерес может представлять и низкочастотная часть спектра. В частности, такое предположение допустимо при исследовании материалов типа полимеров.
Биомеханические испытания сосудов в условиях, имитирующих баллонную дила-тацию (опыты проводились на извлеченном материале), выявили возникновение сигналов акустической эмиссии (рис. 1), возникающей в режиме баллонной дилатации сосуда, от времени [5]. На графике четко виден сигнал акустической эмиссии. Существенно, что этот сигнал предшествует моменту разрыва сосуда. Данная закономерность свидетельствует о возможности разработки метода контроля проводимой процедуры на основе аку-стико-эмиссионных методов.
16 Амплитуда, мм.
12
8
4 Монснтра^ша СнтхалАЭ Г .. / IV. ......._
0 1,ис
1 1 1003.8 1172.6 1341.3 1 1310.4 1 1679.2
Рис. 1. Временная зависимости амплитуды сигналов
Наиболее часто используемыми параметрами акустической эмиссии, применяемыми для изучения процессов пластической деформации и разрушения материалов [4], являются:
- суммарный счет акустической эмиссии N т.е. число зарегистрированных превышений сигналами акустической эмиссии установленного порогового уровня за интервал времени наблюдения;
- скорость счета суммарной акустической эмиссии N, т.е. число импульсов в сигнале акустической эмиссии, превышающих пороговый уровень, регистрируемых в единицу времени;
- амплитуда акустической эмиссии А - максимальное значение уровня сигнала акустической эмиссии в течение выбранного интервала времени;
- среднеквадратичное значение амплитуды (А2ср) сигнала акустической эмиссии;
- энергия сигнала (импульса) акустической эмиссии.
На рис. 2 представлены типичные зависимости суммарного числа импульсов N и
скорости счета N импульсов акустической эмиссии от величины относительной деформации исследуемого образца в режиме одноосной деформации [4].
О 5 10
Рис. 2. Зависимости различных параметров акустической эмиссии при пластической деформации образца: о - механическое напряжение в образце; е - относительная деформация образца
Приведенные зависимости свидетельствуют, что наибольшая интенсивность сигнала акустической эмиссии наблюдается на стадии упругой деформации испытываемого образца и при переходе от упругой к пластической деформации (этому моменту соответствует максимальная скорость счета сигналов акустической эмиссии N ). Этот факт, очевидно, может быть использован при создании методик, диагностирующих критическое состояние образца, предшествующее его разрушению. Такие методики могут быть применены и в медицине.
Для успешного использования метода акустической эмиссии необходимо выявить зависимости между характеристиками напряженно-деформированного состояния исследуемых образцов с дефектами и параметрами излучаемых ими упругих волн.
Выявленные закономерности представляют определенный интерес, так как могут служить основой алгоритмов обработки и анализа регистрируемых сигналов акустической эмиссии, возникающих при баллонной дилатации.
Поставленная задача может быть решена с помощью экспериментальной установки (стенда), представленной на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема (структурная схема) стенда:
1 - шаговый двигатель привода насоса; 2 - насос; 3 - электрический датчик давления; 4 - манометрический датчик давления, установленный на ручном насосе для стандартной процедуры баллонной дилатации; 5 - баллон катетера; 6 - датчик акустической эмиссии;
7 - электронный блок управления шаговым двигателем; 8 - блок оптронной развязки электронного блока управления и персонального компьютера; 9 - микроконтроллер;
10 - персональный компьютер
Работа экспериментального стенда происходит следующим образом. Катетер, снабженный баллоном, вводится внутрь сосуда. С помощью ручного насоса производится начальное нагнетание жидкости, заполняющей систему катетера, в баллон катетера, в результате чего происходит расширение баллона и он заполняет просвет сосуда. На этой стадии допустимо создание некоторого начального давления в системе, не приводящего к возникновению в сосуде значительных напряжений.
Затем поршень ручного насоса фиксируется штатным образом, после чего в действие может быть введен механический насос экспериментальной установки. Основной этап исследования проводится при использовании механического насоса в режиме управления от компьютера (автоматического управления). В этом режиме с помощью персонального компьютера, управляющего шаговым двигателем механического насоса, производится пошаговая подача фиксированных объемов жидкости в баллон. Одно-
временно компьютерная программа производит измерение давления в систему катетера и фиксирует зависимость давления от объема поданной в баллон жидкости с помощью эмулируемого компьютерной программой двухкоординатного самопишущего прибора (виртуального прибора «двухкоординатный самописец» в терминологии системы Lab View).
Процесс нагнетания жидкости сопровождается записью сигнала акустической эмиссии, поступающего от датчика, расположенного рядом с исследуемым сосудом. Регистрация сигналов производится таким образом, что возможно сопоставление графика изменения давления и записи акустической эмиссии. Это позволяет оператору, анализирующему акустический сигнал, в любой момент остановить процесс нагнетания жидкости либо, если оператор не вмешивается, останов произойдет автоматически при достижении заранее установленного предельного давления. Режим работы установки допускает, по усмотрению оператора, остановку подачи жидкости в баллон в любой момент цикла, выдержку сосуда при зафиксированном объеме поданной жидкости в течение необходимого времени и при желании оператора реверсирование процесса нагнетания. При этом полученные результаты в виде графиков фиксируются в памяти компьютера и могут быть впоследствии воспроизведены и подробно проанализированы.
Датчик акустической эмиссии - важнейший элемент экспериментального стенда. От свойств данного элемента во многом зависит успех в регистрации акустического сигнала. Эксперименты с камерой, имеющей внешний датчик, свидетельствуют о невысокой эффективности такого способа регистрации сигнала акустической эмиссии. Перспективным представляется способ, предусматривающий внутреннее расположение датчика, при котором датчик вместе с катетером вводится внутрь сосуда. Однако в этом случае необходим датчик весьма малых размеров.
В качестве датчика был применен пьезоэлектрический датчик, построенный на основе чувствительного элемента пьезоэлектрического звукоснимателя (рис. 4). Датчик имеет длину чувствительной части 5 мм и диаметр 3,5 мм.
Чувствительность датчика была определена методом сравнения его параметров с параметрами стандартного электретного микрофона, она оказалась равной -44 дБ (0,006 В/Па). Уровень собственных шумов был измерен непосредственно с использованием малошумящего предварительного усилителя с известным коэффициентом усиления (Кус = 100). Проведенные измерения показали, что уровень собственных шумов, приведенный ко входу, равен 30 мкВ от пика до пика. Его среднеквадратичное значение, деленное на корень квадратный из полосы частот (А/ = 22 000 Гц - половина частоты дискретизации звуковой карты компьютера), составляет порядка
N = 0,1 мкВ/Гц1/2.
Рис. 4. Пьезоэлектрический датчик
При этих условиях пороговая чувствительность датчика составляет:
*П0Р = ^ = 10-7= 2,35.10-3 Па. пор Sd 6 -10-3
Пьезоэлектрический датчик для регистрации сигнала акустической эмиссии имеет высокое внутреннее сопротивление, которое составляет порядка 1 МОм. Эффективное сопряжение такого датчика с входом звуковой карты компьютера возможно лишь с помощью дополнительного согласующего усилителя.
Для сопряжения электромеханического блока с персональным компьютером на основе микропроцессорного комплекта Arduino создан порт, эмулирующий COM-порт компьютера, - виртуальный COM-порт. Для приема аналогового сигнала от датчика давления был использован аналого-цифровой преобразователь микропроцессорного комплекта. Работа COM-порта и канала ввода аналоговой информации под управлением персонального компьютера организована с помощью стандартных программ сопряжения из библиотеки программ микропроцессорного комплекта для работы с инструментами LabWIEV.
Для управления шаговым двигателем используются две линии виртуального COM-порта, которые выводятся на линии цифровой шины ввода-вывода микропроцессорного модуля. Формирователи массивов данных реализованы на основе функций построения массива (Built Array) и трех сдвиговых регистров. Функция инициализация массива (Initialize Array), выход которой подключен к двум верхним по схеме сдвиговым регистрам, устанавливает начальное состояние данных регистров. Третий сверху регистр используется для хранения данных, поступающих с аналогового входа контроллера. Верхняя функция построение массива (Built Array) и подключенный к ней сдвиговый регистр используются для построения массива значений, отображаемых координатой Х двухкоор-динатного самописца, а нижняя по схеме функция со своим сдвиговым регистром служит для формирования массива значений, отображаемых координатой Y. На вход верхней по схеме функции подается значение, определяющее число сделанных шагов. Функция умножения, включенная на входе, позволяет масштабировать ось Х самописца. Масштабирующий коэффициент устанавливается специальным регулятором и после калибровки системы может быть заменен константой. Аналогичным образом производится и калибровка оси Y.
Для того, чтобы в динамике отслеживать процессы, происходящие в исследуемом сосуде, целесообразно организовать поточечный вывод информации на графический дисплей - реализовать режим двухкоординатного самописца. Для достижения этой цели использован подход, изложенный в [6]. После снятия каждой новой точки экспериментальной кривой на отображение подается массив из всех снятых точек, т.е. сначала отображается массив из одной точки, затем из двух, трех и т.д. При этом каждый новый массив экспериментальных данных накладывается на предыдущий с добавлением одной новой точки. В динамике это соответствует поточечному построению отображаемого графика.
С целью дополнения разрабатываемого виртуального прибора функцией записи сигнала акустической эмиссии, в блок-схему программы виртуального прибора управления электромеханическим блоком была встроена программа чтения входа звуковой карты компьютера (применена программа из одного из примеров системы LabVIEW).
Экспериментальное исследование извлеченных сосудов (in vitro) проводится по методике, предложенной на медицинском факультете Пензенского государственного университета [7]. Согласно данной методике сосуд должен находиться в жидкости (вода, физиологический раствор), подогретой до нормальной температуры человеческого тела +36-37 °С. Выполнение этого условия обеспечивается помещением исследуемого сосуда в термостатируемую камеру, заполненную жидкостью и снабженную внешним датчиком
акустической эмиссии. Термостатирование достигается пропусканием через двойные стенки камеры воды, нагретой до +37 °С. Были проведены предварительные эксперименты с имеющейся готовой камерой. Ввиду сложности проведения эксперимента на сосуде, пробные эксперименты были проведены на таблетках и имели имитационный характер. Целью этих экспериментов была проверка возможностей регистрирующей аппаратуры.
Эксперименты проводились следующим образом. В камеру с нормально работающей системой термостатирования заливался раствор бикарбоната натрия, предварительно нагретый до температуры +37 °С. Внешний датчик камеры через предварительный усилитель подключался к входу звуковой карты компьютера с установленной программой для записи акустического сигнала. Далее в раствор погружалась таблетка аспирина и производилась запись акустического сигнала в течение 15 мин. Полученная запись приведена на рис. 5.
Рис. 5. Временная запись акустического сигнала при растворении таблетки
Далее эта запись сравнивалась с аналогичной записью, полученной от датчика камеры, заполненной раствором, но без таблетки. Полученная запись приведена на рис. 6.
Рис. 6. Временная запись акустического сигнала от датчика камеры, заполненной раствором, но без таблетки
Сравнение приведенных записей показало слабое их различие - на единицы децибел. Это свидетельствует либо о малой чувствительности датчика, либо о значительном уровне шума самой камеры. Применение камеры с такими характеристиками неэффективно.
С целью выявления причины такого поведения камеры было принято решение выполнить дополнительные эксперименты с мобильным датчиком, который можно, по желанию экспериментатора, помещать в камеру или извлекать из нее. Такой датчик был
изготовлен на основе пьезоэлектрического элемента, конструкция которого приведена на рис. 7.
Рис. 7. Пьезоэлектрический датчик
С применением этого датчика были выполнены тщательные исследования процессов, протекающих в камере. В ходе эксперимента на начальной стадии сравнивались сигналы, поступающие на вход звуковой карты только от предварительного усилителя, усилителя с подключенным датчиком, но находящимся вне камеры, и сигнал, поступающий на вход при помещенном в камеру датчике. Фрагмент такой записи приведен на рис. 8.
У
■1 •3
-9
■ 1 ■■1
мн
■ анв
1 ■1 Л:
'-9 1
•3
|_ _I 1_ 0
Рис. 8. Временная запись акустических сигналов, полученная от выносного датчика (Всплески регистрируемого сигнала на участке записи собственного шума датчика обусловлены внешними шумами, возникавшими при манипуляции с датчиком)
Из анализа приведенного фрагмента следует:
- собственный шум предварительного усилителя пренебрежимо мал по сравнению с собственным шумом датчика и сигналом, поступающим от камеры;
- собственный шум усилителя с подключенным датчиком мал по сравнению с сигналом, поступающим от камеры.
Приведенные результаты свидетельствуют о достаточной чувствительности системы с выносным пьезоэлектрическим датчиком, и возможную причину низкой разрешающей способности установки, выявленную в ходе первого эксперимента, следует признать обусловленной большим уровнем собственного шума термостатируемой камеры. Для проверки этого предположения был проведен эксперимент с мобильным датчиком, но без термостатируемой камеры.
В ходе этого эксперимента в подогретый до нормальной температуры человеческого тела раствор помещалась таблетка, но раствор наливался не в камеру, а в химический стакан. Полученная в ходе такого эксперимента запись акустического сигнала приведена на рис. 9.
Рис. 9. Временная запись акустического сигнала, полученная при растворении таблетки в химическом стакане
Анализ записей, приведенных на рисунках, выявляет следующие характерные особенности, приведенных записей:
- наблюдаются значительные вариации уровня регистрируемого сигнала, что характерно для шума, производимого лопающимися пузырьками газа, образующими при растворении таблетки;
- в конце записи (последняя минута) представлен сигнал, поступавший от датчика, извлеченного из раствора. Этот сигнал по уровню близок к уровню собственных шумов датчика. При этом наблюдается значительное различие в сигналах - около 10 Дб.
Как видно из приведенных рис. 5-9, созданная экспериментальная установка позволяет осуществлять запись слабых акустических сигналов, полученных при баллонной дилатации извлеченных сосудов и своевременно определить пороговое предельное механическое напряжение стенок сосуда. Анализ полученной временной записи акустических сигналов позволяет следить за ходом процесса баллонной дилатации и в автоматическом режиме управлять процессом расширения сосудов.
Библиографический список
1. Струков, А. И. Патологическая анатомия : учебник / А. И. Струков, В. В. Серов. - 5-е изд., стер. - М. : Литтерра, 2010. - 848 с.
2. Отчет о выполнении НИР по теме: «Разработка автоматизированной системы управления процессом лечения стенозов методом баллонной дилатации» (договор № 11334ГУ/2017 от 21.04.2017 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских работ).
3. Брагинский, А. П. Распознавание дефектов по спектральным характеристикам акустической эмиссии / А. П. Брагинский, Д. Г. Евсеев [и др.] // Дефектоскопия. - 1984. - № 1. -С.47-54.
4. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник / под ред. чл.-корр. РАН проф. В. В. Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2003. - С. 209.
5. Яриков, А. В. Хирургические методы лечения стеноза сонных артерий (обзор) /А. В. Яри-ков, А. В. Балябин, К. С. Яшин, А. С. Мухин // Современные технологии в медицине. - 2015. -№4. - С. 189-200.
6. Пейч, Л. И. LabVIEW для новичков и специалистов / Л. И. Пейч, Д. А. Точилин, Б. П. Поллак. - М. : Горячая линия - Телеком, 2004. - 384 с.
7. Зенин, О. К. Морфофункциональные принципы организации артериального русла большого круга кровообращения : дис. ... д-ра мед. наук : 14.03.01 / Зенин О. К. - Киев, 2005. -468 с.
Рудин Александр Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru
Руськин Александр Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru
Перевертин Сергей Константинович, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru
Образец цитирования:
Рудин, А. В. Измерительный комплекс для исследования акустической эмиссии в режиме баллонной дилатации / А. В. Рудин, А. С. Руськин, С. К. Перевертин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2018. - № 4 (24). - С. 71-79.
