CC BY
33
Таблица 1
Затраты времени на выполнение отдельных операций построения математической модели
Название операции Количество операций Тип операции Время выполнения (сек.]
Расчет ОНД-86 для 2 источников 14000000 П роцедура 1256
Определение суммарной концентрации в точке SOL-запрос- 20
Приведение полярных координат источника к сеточным декартовым координатам 107560 Процедура 2412
Загрузка координат для инициализации первой итерации модели 107560 Процедура 380
Выполнение математической модели UOOOOOO Процедура (точность £■ = Ю"*) 1680
Решение модели определено в цилиндре размером 10000 м, 10000 м,270 м по x,y,z соответственно. Шаг сетки составляет 30 м по оси х, 30 м по оси у, 20 м по оси z. Математическая модель обсчитывалась на рабочей станции Pentium 4,3 GHz, 1 Gb RAM.
Особенностью построения алгоритма математической модели является сокращение операций по обработки данных с концентрацией меньше определенной величины. Для данной модели кон-цент-рации меньше 5% не рассматриваются. Это позволяет значительно сократить объем вычислений.
Библиографический список
1. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Наука, 1977 г.
2. Федоренко Р. П. Введение в вычислительную физику: Учеб. пособие: Для вузов. — М.: Иэд-во Моск. фиэ.-техн. инта, 1994, -528 с.
ШЕСТОПАЛОВ Александр Владимирович, аспирант.
Дата поступления статьи в редакцию: 20.05.06 г. © Шестопалов A.B.
удк 612-616-67 А в МИХАЙЛОВ
Н. Ф. РОЖКОВ A.B. ЛЕОНОВ
Омский государственный технический университет
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ
В работе рассматривается устройство для измерения и регулирования температуры при хирургических операциях. Показано, что существующий метод поддержания температуры тела человека грелкой и контроля температуры ртутным термометром не обеспечивает точность поддержания температуры в пределах (36 - 37)°С в силу остывания грелки. Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическое поддержание температуры с погрешностью, не превышающей 0,ГС.
При проведении длительных хирургических операций встаёт проблема искусственного поддержания нормальной температуры человеческого тела. Такая ситуация возникает вследствие того, что у человека, длительное время находящегося под действием наркоза, блокируется терморегули-рующий центр головного мозга. Это приводит к тому, что организм человека не может поддерживать нормальную температуру, и начинается процесс его охлаждения. Если при этом не проводить при-
нудительный нагрев извне, температура организма за сравнительно небольшой промежуток времени (5-6 часов) сравняется с температурой окружающей среды, что приведёт к гибели человека, находящегося поддействием наркоза.
В настоящее время в большинстве отечественных клиник применяется следующий метод поддержания нормальной температуры тела больного:
— через определённые промежутки времени (10-15 минут) производится контроль температуры
Рис. 1. Структурная схема устройства для измерения и регулирования температуры при хирургических операциях
гела оперируемого (обычно используется ртутный медицинский термометр как наиболее точный измерительный инструмент);
- в случае, если температура снизилась до (34-33)°С, под спину больного, в области почек, подкладывается резиновая грелка с водяным наполнением;
- подогрев проводится до тех пор, пока температура тела, измеряемая ртутным термометром, не достигнет (36 - 37) "С.
Далее весь процесс повторяется. Естественно, что такой способ терморегуляции неудобен. Во-первых, используемая грелка с водяным наполнением не способна поддерживать спою температуру постоянной вследствие её остывания, поэтому приходится регулярно менять воду. Во-вторых, неудобно само измерение с помощью ртутного термометра, т.к. желательно контролировать температуру тела постоянно и за малые промежутки времени от единиц до десятых долей секунд, а не в какие-то фиксированные моменты времени (поскольку процесс её снижения может протекать достаточно быстро, а за интервал времени между измерениями температура может упасть гораздо ниже (34 - 33)°С. В-третьих, для организации такого способа терморегуляции приходится задействовать, по крайней мере, 2-х человек. Для устранения перечисленных недостатков и автоматизации процесса терморегуляции было разработано устройство, структурная схема которого приведена на рис. 1.
Схема включает в себя:
ИСТ — источник стабильного тока. Предназначен для питания датчика температуры преобразователя температура-напряжение.
ПТН - преобразователь температура-напряжение. Состоит из датчика температуры (ДТ) и усилителя напряжения (УН). Датчик температуры включен в обратную связь усилителя напряжения таким образом, что усиливается приращение падения напряжения надатчике, вызванное изменением температуры тела оперируемого в процессе проведения операции.
УС1 - устройство сравнения. Предназначено для включения устройства звуковой сигнализации, если температура тела оперируемого превысит (в силу каких-либо причин) 4ГС.
УЗИ — устройство звуковой сигнализации. Предназначено для оповещения операционной бригады о превышении температуры тела оперируемого 4 ГС.
УС2 - устройство сравнения. Предназначено для управления работой нагревателя 111) Включение нагревателя происходит, если гемпеигтура тела оперируемого падает ниже ус тлновленного предела, выключение - если температура превысит этот предел.
Н - нагрепател: Предназначен для доведения температура тела < .кч'ируомогодп установленной с помощью УС2.
ИОН1 - источник опорт.-. ) напряжения. Задаёт напряжение срабатывания |< но соответствует температу ре 4 ГС)>стройствасравнения УС 1.
ИС Н2, ИОНЗ, И 0114 - источники опорных напряжений, Задаю!' напряжения срабатывания, соответствующие впбранным пределам регулирования температуры (т.е. 33, 37, 39 °С) устройства сравнения VC2.
ПНЧ - преобразователь напряжение-частота. Преобразует напряжение с выхода УН в последовательность счётных импульсов (их частота, без учёта младшего знака, показывает значение температура тела оперируемого), поступающих на вход Злока измерения частоты (БИЧ).
БИЧ — блок измерения частоты. Предназначен для измерения и индикации значения частоты счётных импульсов с выхода ПНЧ. Для этого в состав БИЧ включены счётчики импульсов (СИ), цифровое отсчётнос устройство (ЦОУ), блок управления работой (БУР) и электронный ключ (ЭК).
Работает устройство следующим образом.
При подключении питания к схеме терморегулятора ИСТ устанавливает ток через датчик температуры равный 0,1 мА (такой ток выбирается для того, чтобы устранить возможность саморазогрева датчика питающим током). Этот ток вызывает зависимое от температуры падения падение напряжения на датчике. Датчик подключён и обратную связь УН таким образом, что с достаточно высоким коэффициентом усиления усиливается изменение падения напряжения на нём, вызванное изменением температуры тела оперируемого. Поскольку выход УН непосредственно связан со входом ПНЧ, то вызываемое изменением температуры тела оперируемого изменение напряжения на выходе УН, вызовет прямо пропорциональное изменение частоты счётных импульсов на выходе ПНЧ.
Схема устройства настроена таким образом, что при изменении выходного напряжения УН на 1 мВ частота на выходе ПНЧ изменится па 1 Гц. Это обеспечивает коэффициент преобразования температуры в частоту, равным 100 Гц/°С. Погрешность преобразования не превышает 0,1%. С выхода ПНЧ последовательность счётных импульсов поступает па вход блока измерения частоты, на индикаторе ЦОУ которого высвечивается значение выходной частоты ПНЧ, соответствующее значению температуры тела оперируемого в градусах Цельсия.
Процесс терморегулирования заключается в поддержании стабильной температуры тела оперируемого в пределах установленного значения. В разработанном устройстве терморегулирование осуществляется с помощью устройства сравнения (УС2) напряжения на выходе УН с напряжением срабатывания устройства сравнения, задаваемым одним из источников опорного напряжения (ИОН2, ИОНЗ, ИОН4), напряжение на выходе которых соответствует заданному пределу регулирования. В случае, когда напряжения на выходе УН становится меньше напряжения срабатывания УС2 (это соот-
ветствует падению температуры тела оперируемого ниже установленного предела), происходит включение нагревателя, в результате чего через небольшой промежуток времени (не более 40 секунд) температура тела оперируемого достигает установленного, в зависимости от выбранного режима терморегулирования предела, то есть 33, 37 или 39°С. После этого УС2 выключает нагреватель из работы. При следующих снижениях температуры тела оперируемого описанный процесс повторяется. Для предохранения больного от перегрева (в случае отказа УС2) и для сигнализации операционной бригаде о высокой (4ГС и выше) температуре тела больного в исходном состоянии, то есть при начале операции, в разработанном приборе предусмотрено устройство звуковой индикации (УЗИ), управляемое устройством сравнения УС1. В случае повышения температуры тела больного уменьшается падение напряжения на датчике температуры, что приводит к повышению напряжения на выходе УН. Когда выходное напряжение УН сравняется с напряжением срабатывания УС1, задаваемым источником опорного напряжения ИОН1 (напряжение выхода этого источника соответствует выходному напряжению УН при температуре 41С ) произойдёт включение УЗИ. УС1 выключит УЗИ только при падении температуры тела оперируемого ниже 41 °С. Таким образом, разработанный прибор осуществляет защиту организма оперируемого от охлаждения в результате блокады терморегулирующего центра головного мозга наркозом и от критического для него перегрева (в силу каких-либо причин).
Для обеспечения удобства наблюдения за показаниями устройство располагается в непосредственной близости от операционного стола. Датчик температуры помещается в одну из точек тела оперируемого, где расположены сосудистые пучки (в этих точках температура соответствует истинной температуре тела), например в подмышечную область. Для установления хорошего термического контакта корпус датчика снабжён держателями, что даёт возможность обеспечить плотное прилегание датчика к телу оперируемого. Нагреватель расположен внутри резинового валика, который во время операции подкладывается под спину оперируемого для фиксации его тела в нужном положении. Благодаря тому, что нагреватель находится в области прохождения стволов крупных сосудов, при его работе температура тела больного начинает быстро подниматься. Этот процесс происходит до тех пор, пока температура датчика не достигнет установленного предела.
При проведении операции, после того, как оперируемому дан наркоз, с помощью термометра регулятора температура измеряется исходная температура тела больного. В зависимости от того, какой она оказалась, врач анестезиолог выбирает один из пределов регулирования температуры (33, 37, 39 °С). Переключатели пределов расположены на передней панели прибора. Там же находится и кнопка
"Стоп нагрев", обеспечивающая возможность аварийного отключения нагревателя при неправильной его работе.
Разработанный прибор позволяет обеспечить достаточно высокую точность измерения и регулирования температуры и даёт возможность проследить динамику её изменения.
Основные характеристики устройства
— диапазон измеряемых температур 10°С — 55 °С
— основная погрешность измерения (не более) 0,1 %
— дополнительная погрешность измерения (не более) 0,1 %
— пределы терморегулирования 33 "С, 37 °С, 39 °С
— основная погрешность терморегулирования (не более) 0,5 %
— дополнительная погрешность терморегулирования (не более) 0,5 %
— напряжение питающей сети 220 В
— частота питающей сети 50 Гц
— мощность, потребляемая от питающей сети (не более) 7,5 ВА
— вес устройства (вместе с нагревателем) 2,0 кг
В результате испытаний, проведённых в городской травмотолого-ортопедической больнице города Омска, было сделано заключение о целесообразности применения разработанного прибора при проведении длительных хирургических операций. Применение данного прибора возможно также и в практике детской хирургии, что обеспечивается надёжной электроизоляцией нагревателя и низким значением напряжения, питающего обмотку нагревателя. Кроме того, следует заметить, что применение разработанного прибора возможно не только в качестве отдельной единицы медицинского оборудования, но и в комплексе электронной медицинской аппаратуры различного назначения, имеющей единую систему управления. В настоящее время в нашем институте ведутся разработки в этом направлении.
Библиографический список
1. Михайлов A.B., Рожков Н.Ф. Метод и устройство для малоинерционных измерений температур параметрическими измерительными преобразователями / Омский гос. техн. ун-т. -Омск, 1999. - 16 е.: ил. - Деп. в ВИНИТИ 10.03.99, №707 - В99.
2. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр отдние, 1990. - 256с.
МИХАИЛОВ Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры "Информационно-измерительной техники". РОЖКОВ Николай Фёдорович, кандидат технических наук, доцент кафедры "Информационно-измерительной техники".
ЛЕОНОВ Андрей Викторович, аспирант кафедры "Информационно-измерительной техники".
Дата поступления статьи в редакцию: 15.02.06 г. © Михайлов A.B., Рожков Н.Ф., Леонов A.B.
Российские научные журналы
«Экологические приборы и системы»
Публикует наиболее значимые и перспективные разработки, технологии и проекты в области экологического мониторинга и приборостроения, контроля, анализа и охраны экологических систем, систем обеспечения безопасности жизнедеятельности, автоматизированных систем контроля и прогнозирования экологической обстановки, нормативные материалы по обеспечению экологической обстановки на предприятиях.
