CC BY
71
so
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
УДК 615.471.03;616-073.65
В. Н. Ашанин, А. А. Мельников, Б. В. Чувыкин
КОНТАКТНЫЙ ЦИФРОВОЙ МЕДИЦИНСКИЙ ТЕРМОМЕТР ПОВЫШЕННОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
V. N. Ashanin, A. A. Mel'nikov, B. V. Chuvykin HIGH-SPEED CONTACT DIGITAL MEDICAL THERMOMETER
Аннотация. Актуальность и цели. При диагностическом обследовании физического состояния теплокровных биологических организмов (в частности, исследование колебаний температуры с малыми амплитудой и частотой, вызванных изменением тонуса кровеносных сосудов и скорости кровотока человека, массовое измерение температуры людей и животных во время эпидемии) важной является задача точного измерения температуры за минимальное время. Материалы и методы. Проведены анализ и описание алгоритмов работы быстродействующих контактных термометров, позволяющих обеспечить измерение температуры теплокровных биологических организмов с точностью измерения не ниже 0,1° за время не более 1 с. При цифровой обработке результатов частных тактов преобразования для уменьшения времени измерения предложено использовать алгоритм скользящего преобразования. Результаты. Сформулированы требования к разрабатываемому термометру: к типу первичного преобразователя, к элементной базе и источнику питания, к исполнению корпуса прибора. Выводы. Проведенные экспериментальные исследования разработанного макетного образца микропроцессорного термометра показали возможность измерения температуры биологических теплокровных организмов с погрешностью 0,1 °С за время менее 0,9 с.
Abstract. Background. When a diagnostic survey of the physical condition of warmblooded biological organisms, in particular, studies of temperature changes with small amplitude and frequency, caused by a change in the tone of the blood vessels and blood flow velocity measurement of temperature, mass of human beings and animals during an epidemic, important is the accurate temperature measurement in minimal time. Materials and methods. The analysis and description of algorithms of high-speed contact thermometers to ensure measurement of temperature of warm-blooded biological organisms with accuracy not lower than 0.1° during not more than 1 at digital processing results private conversion cycles to reduce measurement time suggested that moving algorithm of transformation. Results. Formulated requirements for the designed thermometer: the primary type converter, the element base and the power source, to the performance of the appliance. Conclusions. Conducted pilot studies developed for sample microprocessor thermometer showed the possibility of measuring the temperature of warm-blooded organisms within biological 0, 1 °С during less than 0.9 s.
Ключевые слова: температура теплокровных организмов, быстродействующий контактный термометр, терморезистор, алгоритм скользящего преобразования, микропроцессор.
Key word s: temperature of warm-blooded organisms, quick contact thermometer, thermistor, algorithm moving of transformation, the microprocessor.
При диагностическом обследовании физического состояния теплокровных биологических организмов (например: анализ колебаний температуры с малыми амплитудой и частотой, вызванных изменением тонуса кровеносных сосудов человека и скорости кровотока с частотой от 0,0095 до 2 Гц [1, 2], массовое измерение температуры детей в дошкольных и школьных учреждениях и пассажиров в аэропортах и вокзалах во время эпидемии, проведение обследования сельскохозяйственных животных) важной является задача уменьшения времени измерения при сохранении точности. В этой связи перспективным является развитие алгоритмов реализации быстродействующих термометров, предложенных профессором Э. К. Шаховым [3, 4] и его учениками [5, 6].
Проведенный авторами анализ алгоритмов работы быстродействующих контактных медицинских термометров показал [7], что наиболее эффективным методом обеспечения высокого быстродействия является предварительный нагрев термочувствительного элемента перед контактом с объектом измерения до температуры, достаточной для создания эффекта теплового раздражения кожного покрова [8, 9]. В этом случае нагревать термочувствительный элемент, в качестве которого целесообразно применять терморезистор, можно со скоростью, во много раз превышающей его естественный нагрев из-за разности температур объекта и терморезистора [4, 6].
Обеспечить высокую точность измерения возможно при использовании компенсационного (уравновешивающего) метода измерения, основанного на активном нагреве терморезистора до уровня, несколько превышающего верхний предел диапазона измерения температуры [8, 9]. После контакта терморезистивного датчика с объектом измерения через равные интервалы времени А( определяются три значения Т1 Т2 и Т3 температуры терморезистора на начальном участке экспоненты, соответствующей режиму охлаждения датчика до температуры объекта измерения. Измеряемая температура вычисляется по формуле [4, 9]:
Т= т+ (Т -Т1)(Тз -Т2) х1 2 Т2 - Т1 - Т3 + Т2 '
Повышение точности измерения возможно при использовании итерационного способа, для чего операцию определения трех значений Т1, Т2, Т3 температуры терморезистора и вычисления температуры объекта повторяют несколько раз со сдвигом по времени на шаг, меньший интервала между измерениями, а температуру объекта вычисляют как среднее значение вычисленных отсчетов температуры объекта [9]. В этом случае время измерения температуры объекта составит ^ > п(2А^ + А^), где п - количество вычисленных по формуле (1) отсчетов; А( - интервал времени между измерениями температуры Т1, Т2, Т3; А^ - интервал времени между вычислениями отсчетов температуры, имеющий значение от 0 до АЛ Это несколько уменьшает быстродействие термометра при обеспечении высокой точности измерения.
Повысить быстродействие термометра при сохранении необходимой точности измерения возможно при реализации предлагаемого алгоритма скользящего преобразования (рис. 1) [10], суть которого состоит в следующем. На первом такте работы термометра после теплового контакта с объектом измерения через равные интервалы времени А( определяются значения Т1, Т2, Т3 температуры терморезистора и вычисляется первый отсчет измеряемой температуры по формуле (1).
Далее через такой же интервал времени определяется значение температуры Т4 и вычисляется второй отсчет измеряемой температуры по формуле
Т = т+ (Т3 -Т2ХТ4 -Т3)
х2 3 Т3 - Т2 - Т4 + Т3 '
Рис. 1. График процедуры измерения температуры методом скользящего преобразования
На третьем такте реализации алгоритма через такой же интервал времени А? определяется значение Т5 и вычисляется третий отсчет измеряемой температуры по формуле
Tx3 = T4 +
(T4 -T3XT5 -T4) T4 - T3 - T5 + T4
(3)
Для обеспечения необходимой точности измерения процедура определения текущей температуры производится п раз. Температура объекта рассчитывается как среднее значение Т^ вычисленных отсчетов температуры, при этом время измерения составит ? = пА? + А?, что требует меньше времени, чем при реализации алгоритма [9].
Функциональная электрическая схема термометра, реализующая предлагаемый итерационный алгоритм измерения температуры, представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная электрическая схема термометра
В основу ее реализации положен принцип максимального использования достижений цифровой обработки информации, обеспечивающий высокие быстродействие, помехоустой-
чивость и точность обработки сигнала при малых значениях потребляемой мощности и стоимости. Она реализована на микропроцессоре (CPU), жидкокристаллическом индикаторе (LCD), цифроаналоговом преобразователе (DAC), аналого-цифровом преобразователе (ADC), терморезисторе (7°), емкостном датчике прикосновения (CT), источнике тока, управляемого напряжением (U/I), батарее питания (BAT).
Полагаем, что процедура измерения реализуется программно. В этом случае микроконтроллер (CPU) служит как устройством управления, так и устройством оценки значения напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя (ADC), которое равно падению напряжения на терморезисторе и соответственно пропорционально сопротивлению и температуре терморезистора. По команде микроконтроллера (CPU) через цифроаналоговый преобразователь (DAC) источник тока, управляемый напряжением (U/I), задает ток через терморезистор (7°), сила которого будет достаточна для разогрева терморезистора (T°) до температуры 42°С (участок 1 на графике процедуры измерения на рис. 1). Поддержание данной температуры осуществляется путем регулирования уровня тока, протекающего через терморезистор (участок 2 на рис. 1). Контроль температуры терморезистора осуществляется путем преобразования падения напряжения на терморезисторе, которое пропорционально температуре терморезистора, в код аналого-цифровым преобразователем (ADC). В момент соприкосновения объекта измерения с термометром, определяемым емкостным датчиком прикосновения (CT), происходит тепловой контакт терморезистора с объектом измерения. С момента контакта с объектом измерения начинает происходить охлаждение терморезистора (T°), температура которого стремится достичь значения температуры объекта измерения. С этого же момента через равные интервалы времени At определяются значения T1, T2, T3 температуры терморезистора и вычисляется первый отсчет измеряемой температуры по формуле (1). Далее через такой же интервал времени At определяются значения T4 и T5 и вычисляются второй и третий отсчеты измеряемой температуры по формулам (2) и (3) соответственно.
С целью обеспечения необходимой точности для определенного времени измерения производится n циклов подобных измерений, после чего вычисляется температура объекта как среднее значение вычисленных частных отсчетов температуры объекта. Время измерения температуры объекта составит t = nAt + At.
На рис. 3 представлена фотография, показывающая реальные геометрические размеры разработанного опытного образца термометра в сопоставлении с ртутным медицинским термометром. Естественно, что ограничением при изготовлении корпуса опытного экземпляра термометра послужили технологические и инструментальные возможности университета. При применении современных технологий и материалов геометрические размеры термометра могут быть уменьшены в несколько раз, поскольку они в основном определяются размерами датчика и цифрового индикатора.
Рис. 3. Сопоставление размеров разработанного и ртутного термометров
В результате экспериментальных исследований опытного экземпляра термометра получены следующие технические характеристики:
- погрешность измерения, °С, - не более 0,1;
- время контактного измерения, с, - 0,9;
- количество измерений при использовании батареи емкостью 200 мА^ч - не менее 700.
Библиографический список
1. Подтаев, С. Ю. Исследование микроциркуляции крови с помощью вейвлет-анализа колебаний температуры кожи / С. Ю Подтаев, А. В. Попов, М. К. Морозов, П. Г. Фрик // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2009. - Т. 8, № 3 (31). - С. 14-20.
2. Исследование низкоамплитудных колебаний кожной температуры у больных сахарным диабетом 2 типа, осложненным язвенно-некротическими изменениями стопы / А. Ф. Паршаков, П. Я. Сандаков, А. В. Попов, С. Ю Подтаев, Е. А. Лоран, И. А. Мизева // Здоровье семьи - 21 век. - 2012. - № 1. - С. 14.
3. Пат. № 2257553 Российская Федерация. Компенсационный способ измерения температуры / Шахов Э. К. - опубл. 27.07 2005, БИ № 21.
4. Шахов, Э. К. Проблемы измерения температуры тела человека / Э. К. Шахов,
A. А. Мельников, И. А. Долгова // Медицинская техника. - 2008. - № 1. - С. 3-6.
5. Писарев, А. П. Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров : дис. ... канд. техн. наук / Писарев А. П. -Пенза, 2004. - 277 с.
6. Долгова, И. А. Быстродействующие термометры для систем мониторинга параметров человеческого организма : дис. . канд. техн. наук / Долгова И. А. - Пенза, 2008. -219 с.
7. Ашанин, В. Н. Анализ алгоритмов работы быстродействующих контактных медицинских термометров / В. Н. Ашанин, А. А. Мельников // Исследования и инновационные разработки в сфере медицины и фармакологии : материалы регион. конф. (г. Пенза, 7 июля 2011 г.). - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 236-241.
8. Пат. № 2319122 Российская Федерация. Компенсационный способ ускоренного измерения температуры / Шахов Э. К., Долгова И. А., Мельников А. А. - опубл. 10.03.2008, БИ № 7.
9. Заявка № 2007103037/28 Российская Федерация. Способ терморезистивного измерения температуры теплокровных организмов / Шахов Э. К. - заявл. 25.01.2007 ; опубл. 27.07.2008.
10. Ашанин, В. Н. Быстродействующий терморезистивный медицинский термометр /
B. Н. Ашанин, А. А. Мельников, Б. В. Чувыкин // Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пензенской области : тр. 3 Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - С. 4-8.
Ашанин Василий Николаевич
кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроэнергетики и электротехники,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: eltech@pnzgu.ru
Ashanin Vasiliy Nikolaevich
candidate of technical sciences, head of sub-department of electricity and electrical engineering, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Мельников Анатолий Аркадьевич
ведущий инженер,
кафедра электроэнергетики и электротехники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: eltech@pnzgu.ru
Mel'mkov Anatoliy Arkad'evich
chief engineer,
sub-department of electricity and electrical engineering, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Чувыкин Борис Викторович
доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: chuvykin_bv@mail.ru
Chuvykin Boris Viktorovich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of information computer systems, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 615.471.03; 616-073.65 Ашанин, В. Н.
Контактный цифровой медицинский термометр повышенного быстродействия / В. Н. Аша-нин, А. А. Мельников, Б .В. Чувыкин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. -№ 1 (19). - С. 80-85.
