CC BY
103Электронный журнал «Техническая акустика» http://webcenter.ru/~eeaa/ejta/
2003, 14
М. А. Курбанов, М. А. Рамазанов, Г. М. Гейдаров
Институт Физики Академии наук Азербайджана
370143, г. Баку, пр. Г. Джавида, 33, e-mail: [email protected]
Трехфазный пьезоэлектрический композит для датчика регистрации артериальной пульсовой волны
Получена 09.06.2003, опубликована 08.07.2003
Рассмотрены особенности создания трехфазного пьезоэлектрического
композита, состоящего из поливинилиденфторида, эпоксидной смолы ЭД-20,
пьезокерамики семейства цирконата-титаната-свинца (ПКР-3М) для датчика
регистрации артериальной пульсовой волны. Показано, что композиты с
пьезочувствительностью g33 = 0,1-0,35 Вм/Н и модулем упругости Е = (0,710 2
1,5)10 Н/м являются эффективным пьезоматериалом для создания датчика регистрации артериальных пульсовых волн.
В работах [1-3] описаны керамические и полимерные пьезоэлектрические датчики медицинских назначений. Исследование акустическим методом тела человека в современной медицине является актуальной задачей. Для создания современных медицинских датчиков требуется разработать новые активные материалы, удовлетворяющие жёстким физико-механическим требованиям.
В данной работе описывается датчик для регистрации артериального пульса, у которого в качестве чувствительного элемента использован новый трехфазный композиционный пьезоматериал: полимер-эпоксидная смола - пьезокерамика
семейства цирконата-титана свинца (ЦТС). Данный датчик применяется для сфигмографических исследований — регистрации механических перемещений участка артерии человека, возникающих под действием пульсовой волны [4]. Полученные результаты по информативности сопоставлены с аналогическими исследованиями, полученными на основе датчика с пьезокерамическим активным элементом. В качестве полимерной фазы использованы поливинилденфторид (ПВДФ), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и эпоксидная смола ЭД-20. Пьезоэлектрической фазой композита являлась пьезокерамика ПКР-3М.
Гибкий и прочный пьезокомпозитный материал толщиной 200 мкм получен методом горячего прессования [5, 6]. В исходном состоянии композит не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Это свойство он приобретает после электротермополяризации. Предварительно на поверхность композита методом горячего прессования прессуются алюминиевые электроды толщиной 1 0 мкм. Поляризация обычно производится при электрическом поле Еп = (1-7) МВ/м и температуре Тп = (370-413) К. Время поляризации выбирается 0,5 часа.
На рис. 1 приведены кривые артериальных пульсовых волн на лучевой артерии, полученные датчиком на основе пьезокерамики типа ДТК-1М. Видно, что кроме начального положительного острого пика другая информация для диагностики на данном рисунке отсутствует.
№
*-->
Рис. 1. Кривая артериальной пульсовой волны на лучевой артерии, полученная пьезокерамическим датчиком типа ДТК-1М
На рис. 2 приведены результаты одного из аналогических исследований, полученные датчиками на основе пьезокомпозитов различных составов (таблица 1). В той же таблице сопоставлены пьезоэлектрические, физико-механические и электрофизические свойства пьезоэлектрических композитов и активных керамик семейства ЦТС.
0,5 с і__________і
Рис. 2. Кривая артериальной пульсовой волны на лучевой артерии, полученная пьезокомпозитным (ПВДФ+ ЭД-20+ПКР) датчиком
Таблица 1
Параметры компози- ции Пьезо- модуль Йэ3, ПКл/Н Пьезочувствительность g33, Вм/Н Диэлек- трическая проница- емость, £ Модуль Юнга, ГПа Акустическое сопротивление, кг/м2с Пьезочувствительность в режиме приема, Йэ3 '&3 '10 12 Ф/Нм
ПВДФ+П КР3М 145 0,25 65 7,5 6,7 36,2
ПЭ+ ПКР3М 92 0,2 50 5 6,0 18,4
ПП+ ПКР3М 120 0,26 52 6,5 6,5 31,2
ПВДФ+Э Д20+ПКР 3М 140 0,26 60 12 7 36,4
+ + 5 Д о 80 0,19 48 6,4 6,2 15,2
ПП+ ЭД20+ПК Р3М 110 0,24 50 7,6 6,8 28,8
Сравнение рис. 1 и 2 показывает, что кривые артериальных пульсовых волн, полученные на основе датчика с пьезокомпозитным элементом, более информативны и позволяют диагностировать процессы, инициированные пульсовой волной сердца:
1 ) показывают функциональные и органические изменения сердечно-сосудистой системы, четко наблюдаются соответствующие максимумы (анакрота, дикрота, катакрота);
2) из-за высокой чувствительности датчика регистрации артериального пульса (60 мВ/Па) четко выделены первая и вторая положительные волны (А1 и А2, рис. 3), что позволяет оценить состояние артерии, в частности, ее эластичность;
3) измеряя время расширения артериального сосуда (1^) и длительность систолического периода (12), а также их разницу (А1 = 12 - 11), удается прогнозировать диастолические и систолические расширения сердца;
4) из кривых артериально-пульсовых волн также можно определить пульсовой период т.
Рис. 3. Кривая артериальной пульсовой волны на лучевой артерии, полученная пьезокомпозитным (ПВДФ+ ЭД-20+ПКР) датчиком
Рассмотрим возможные причины увеличения информативности сфигмограммы, полученной датчиком на основе трехфазных композитов ПВДФ+ЭД20+ПКР. Как уже было отмечено, в качестве активного элемента датчиков пульсовой волны используют и чистый полимер ПВДФ [2, 3]. Однако из-за низкого значения его модуля упругости в процессе эксплуатации элемент из ПВДФ проявляет остаточную деформацию (гистерезис), что также сопровождается искажением и потерей полученной информации. Поэтому можно ожидать, что оптимальным элементом для датчика является пьезоматериал, характеристики которого будут находиться между свойствами полимера и пьезокерамики. Такими пьезоматериалами являются полимер-пьезокерамика, сочетающие в себе электрофизические и физико-механические свойства, как полимера, так и пьезокерамики (таблица 2).
Таблица 2
Пара- метры компо- зици Пьезо- модуль Йзз, ПКл/Н Пьезочувствительность g33, ВМ/Н Диэлектрическая проницаемость, £ Модуль Юнга, ГПа Акустическое сопротивление, кг/м2сек Пьезочувствительность в режиме приема Й33 '§33 '10 Ф/Нм
ПКР3М 99 0,028 400 80 30 2,77
ПВДФ 6,3 0,055 13 3 2,5 0,35
Экспериментально найдено, что пьезокомпозиты с пьезочувствительностью
10 2
§33 ~ 0,1-0,35 Вм/Н и модулем упругости Е=(0,7-1,5)10 Н/м , измеренными по методикам [1, 7], являются эффективным пьезоматериалом для создания датчика регистрации артериальных пульсовых волн. Среди предложенных композитов более эффективным являются композиты ПВДФ+ЭД-20+ПКР-3М с объемными
содержаниями фаз 35, 5 и 60%, соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сегала А. Г., Довготелес Т. Е., Билан А. Е. Пьезокерамические материалы для УЗ-дефектоскопии и медицинской диагностической аппаратуры. В сб. Пьезотехника-99, т. 1. Ростов - на - Дону, Пайк, 1999. с. 166.
2. Беляев С. В., Пельц С. Д., Польских Э. Д., Мызгин Е. А., Чаянов Б. А. Гибкий пьезоэлектрический датчик давления. ПТЭ, 1982, № 5, с. 223.
3. Голямина И. П., Лесных О. Д., Мясников Г. Д., Расторгуев Д. Л., Шерман М. Я. Эластичный пьезоэлектрический материал — пьезопленка Ф-2МЭ. ПТЭ, № 3, 1991, с. 243.
4. Палеев Н. Р., Каеицер И. М. Атлас гемодинамических исследований в клинике внутренних болезней. М. Медицина, 1975, с. 15.
5. Рамазанов М. А., Панахова З. Г. Пьезокомпозитный датчик для регистрации артериальных пульсовых волн. ПТЭ, 1997, № 5, с. 132-133.
6. Рамазанов М. А. Датчик для регистрации артериальных пульсовых волн на основе полимерных пьезоэлектрических композитов. Ж. Датчики и системы, 2002, № 12, с. 25-27.
7. Попков В. И., Безъязычный В. В., Кислова Т. Б., Курбатов А. И., Попков С. В. Измерение комплексных модулей упругости и коэффициентов потерь полимерных вибропоглощающих материалов в широком диапазоне частот. Журнал «Техническая акустика» т. 5, вып. 1-2 (15-16), 2003 г.
