Архив номеров

Термометр медицинский цифровой прецизионный

Измерение температуры в медицине – важная техническая задача, которую необходимо решать, обязательно принимая во внимание биологические особенности человеческого организма и область медицинской практики, в которой должны проводиться такие измерения

А.И. Ларюшин, доктор технических наук ФГУП НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха, Москва
М.А. Галкин, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
Р.Н. Хизбуллин, кандидат технических наук Казанский государственный энергетический университет, г. Казань
В.А. Новиков, Казанское объединение вычислительных систем, г. Казань

Измерение температуры в медицине – важная техническая задача, которую необходимо решать, обязательно принимая во внимание биологические особенности человеческого организма и область медицинской практики, в которой должны проводиться такие измерения [1, 2].

Большинство измерений в медицине являются физическими. С одной стороны, измерения температуры органов вполне можно рассматривать как физические измерения, т.к. температура есть мера средней кинетической скорости движения молекул. С другой стороны, в медицине температура – ещё и важный физиологический параметр, тесно связанный с физиологическими процессами, протекающими в организме.

Измерения температуры широко применяются в хирургии в качестве средства контроля, в медицинской диагностике и в терапии. В частности, температура является регулирующим терапевтическую процедуру показателем, своего рода обратной связью с биологическим объектом.

Измерения температуры в медицинских целях применительно к человеку имеют определённую специфику. Во-первых, диапазон измеряемых температур ограничивается температурами, при которых не разрушаются белковые молекулы: +5…+50оС. (Следует отметить, что для научных медицинских исследований может требоваться намного больший диапазон температурных измерений.)

Во-вторых, организм теплокровных животных, к которым относится и человек, старается поддерживать температуру внутренней среды постоянной. В условиях стабильной саморегуляции организма значимые с медицинской точки зрения изменения температуры могут быть небольшими и составлять доли градуса. К тому же у разных организмов, даже находящихся в схожих физиологических состояниях, может наблюдаться некий разброс значений температуры, поэтому в медицине часто помимо абсолютных измерений используются и относительные измерения температуры.

В-третьих, в медицине значимой информацией является также зависимость изменения температуры исследуемой области от времени. Скорость изменения температуры в живом организме незначительна, однако при поиске участка с максимальным или минимальным значением температуры инертность измеряющей температуру технической системы будет определять время поиска, которое может превысить скорость изменения температуры отдельного участка организма, а также увеличит инерционность всего процесса измерения. При построении графика изменения температуры инерционность технической системы должна вносить как можно меньше заметных искажений, кроме того, для выявления температурных трендов важно иметь высокое разрешение по температуре.

Постановка технической задачи

Особенности температурных измерений в медицине определяют некоторые принципиальные технические требования к измерительной технике.

Как было отмечено, применительно к человеческому организму требуемый температурный диапазон измерений невелик: +5…+50оС. Точность измерения температуры должна соответствовать разбросу температур в диапазонах норм соответствующих медицинских показателей. Применительно к исследованиям человека точности в пределах ±0,05...±0,1оС вполне достаточно. Для качественного визуального представления измерений температуры, для процедур сравнения и при относительных измерениях, а также для графического отображения изменения температуры важно иметь высокую линейность и разрешение измерительной технической системы. Разрешение по температуре не должно превышать 0,01оС.

Качественную регистрацию процесса изменения температуры в организме может обеспечить только малоинерционная система, т.е. та, инертность которой как минимум на порядок меньше температурной инертности измеряемой области организма. Из этого следует, что температурный датчик должен иметь как можно меньшие габаритные размеры и тепловую инерцию.

В качестве датчиков, позволяющих регистрировать температуру с точностью ±0,1оС и имеющих наименьшие габаритные размеры при наивысшей температурной чувствительности в диапазоне +5…+50оС, в медицине наиболее широко применяются термисторы [3].

Общим техническим требованиям, предъявляемым к медицинским термометрам [4–8], полностью удовлетворяет цифровой прецизионный термометр, описанный в [9]:

  • диапазон измеряемой температуры +5…+50оС;
  • относительная погрешность прибора при измерении температуры 0,1%;
  • разрешение при измерении температуры 0,01оС;
  • тип используемого температурного сенсора – термистор;
  • абсолютная погрешность измерения температуры некалиброванным термистором в диапазоне +25…+50оС составляет ±0,1оС (возможна дополнительная калибровка);
  • темп измерения – 15 значений в секунду.

Принцип работы медицинского цифрового прецизионного термометра

Термометр состоит из двух основных частей: блока регистрации температуры и датчика температуры (рис. 1).

Подключённый к компьютеру термометр и комплектующие

Длина активной части датчика 450 мм, диаметр 1 мм, диаметр термисторной головки 1,3 мм. Датчик подсоединяется к блоку с помощью разъёма JACK 6,35 мм. Суммарная длина датчика, включая подводящий кабель и разъём, составляет 1,5 м. Датчик можно стерилизовать с помощью любых обычных больничных дезинфицирующих средств, например этанола, изопропила или соединений хлорита.

Блок регистрации обрабатывает сигнал датчика и отображает его на экране дисплея. В качестве источника питания основного блока может использоваться либо интерфейс USB 2.0, либо внешний источник питания медицинского исполнения (специальный адаптер, рассчитанный на постоянное напряжение +7,5…+12 В). При подключении блока по протоколу USB 2.0 температурные данные передаются на компьютер и посредством специализированного программного обеспечения в режиме реального времени отображаются на мониторе, сохраняясь в памяти компьютера в виде простого текстового файла.

Структурная схема термометра представлена на рис. 2. Сигнал датчика температуры поступает на усилитель, затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где оцифровывается и преобразуется в цифровой код, который через гальваническую развязку передаётся на микроконтроллер. Микроконтроллер обрабатывает принятые данные, вычисляя значение температуры, отображает полученную информацию на дисплее и передаёт данные о температуре в цифровом коде через гальванически развязанный интерфейс USB 2.0 на компьютер. Также в схему включён селектор питания.

Структурная схема термометра

Расчёт измерительной ячейки термометра

Наиболее важным элементом термометра является измерительная ячейка, преобразующая сопротивление термистора в напряжение, которое оцифровывается АЦП.

Измерительная ячейка построена максимально простым способом: в виде резисторного делителя (рис. 3).

Электрическая схема измерительной ячейки термометра

Напряжение UADC, подаваемое на вход АЦП, вычисляется следующим образом:

где UОП – опорное напряжение делителя; RT – сопротивление термистора; R1,R2 – сопротивления делителя.

Напряжение, подаваемое на 24-разрядный АЦП, преобразуется в цифровой код в соответствии с выражением:

 

где VREF– напряжение источника опорного напряжения АЦП; PGA – коэффициент усиления усилителя; code – цифровой код АЦП.

Если в качестве источника опорного напряжения резистивного делителя использовать источник опорного напряжения АЦП, то получаемая после подстановки (2) в (1) формула (3) свидетельствует, что цифровой код не зависит от напряжения на делителе:

 

Выбор сопротивлений R1 и R2 осуществляется исходя из следующих соображений: как видно из выражения (3), важны не отдельные номиналы сопротивлений, а их сумма; т.к. измеряемый сигнал является псевдодифференциальным, то логично для максимального расширения динамического диапазона взять одинаковые сопротивления, т.е. R1 = R2. При уменьшении сопротивлений шум снижается, а ток в измерительной цепи возрастает. Чем больший ток будет протекать по измерительной цепи, тем сильнее будет нагреваться термистор, причём эта зависимость квадратичная, т.к. выделяемая на термисторе мощность равна RT(Iизм)2.

На эту квадратичную зависимость накладывается ещё и нелинейная зависимость тока в измерительной цепи от температуры термистора, которая влияет на сопротивление термистора. Зависимость сопротивления термистора от температуры представлена на рис. 4.

Выделяемая на термисторе тепловая мощность

Суммарная зависимость выделяемой термистором тепловой мощности от температуры (рис. 5) выглядит следующим образом:

В техническом паспорте датчика температуры указано, что его прогрев составит менее 0,01oC при мощности не более 60 мкВт. Если выбрать для сопротивлений R и R2 широко распространённые номиналы по 10 кОм, то в диапазоне измерения +5…+50oC рассеиваемая на термисторе мощность не будет превышать 60 мкВт, и, следовательно, величина прогрева не будет превышать 0,01oC.

Оценка погрешности схемы защиты от электростатических разрядов

В термометре используется защита от электростатического разряда аналогового входа. Защита построена на базе ESD-диода. В обратном направлении ESD-диод не является идеальным, поэтому важно подобрать диод, имеющий самый маленький ток утечки (рис. 6). Величина тока утечки выбранного диода составляет 1 мкА. Ток утечки влияет на величину информационного дифференциального сигнала.

Схема электрическая принципиальная для расчёта влияния токов

Для расчёта выходного напряжения схемы, представленной на рис. 6, необходимо задаться направлениями токов и составить систему уравнений по законам Кирхгоффа.

Если в качестве элемента ESD-защиты использовать простые диоды, которые не имеют соединения с питанием VREF, то токи Id11 и Id21 будут равны нулю соответственно. Поэтому выражение для выходного напряжения с учётом токов утечки будет иметь следующий вид:

где VOUT_IDEAL– выходное напряжение при токах утечки, равных нулю.

Токи утечки диодов Id12 = Id22 = Id практически равны, т.к. диоды располагаются на одной кремниевой подложке, поэтому выражение для расчёта выходного напряжения примет следующий вид:

Чем точнее подобраны резисторы R1 и R2, тем меньше влияние токов утечки. В описываемом термометре применяются резисторы 0,1%-ной точности, поэтому если разность входных токов составляет 1/10 от номинального тока утечки (0,1 мкА), то систематическая дифференциальная погрешность в худшем случае – при минимальном идеальном сигнале (для 50oС сопротивление термистора равно приблизительно 811 Ом и VOUT_IDEAL≈ 100 мВ) – будет равна:

Полученный результат (0,004%) показывает, насколько мала часть погрешности, вносимой токами утечки, при выборе защитных диодов, выполненных в едином интегральном исполнении, и применении двух прецизионных резисторов.

Моделирование погрешности прибора методом Монте-Карло

Оценка погрешностей измерительной ячейки с учётом входного сопротивления АЦП с разбросом ±10%, токов утечки и их разбросов в ±10%, резисторов R1 и R2 с разбросом ±0,1% осуществлялась в программе схемотехнического моделирования MicroCap 9.0 методом Монте-Карло (рис. 7). Токи утечки защитных диодов промоделированы сопротивлениями R4, R6. В схему добавлены ёмкости C1, C2 в соответствии с рекомендациями по применению сигма-дельта АЦП, ёмкость C3 имитирует ёмкость кабеля, на котором установлен термистор.

Схема моделирования погрешностей измерительной ячейки

В результате моделирования была получена гистограмма выходного дифференциального напряжения (рис. 8). Основные параметры гистограммы:

Гистограмма выходного дифференциального напряжения с измерительного делителя напряжения, полученная в среде MicroCap

  • среднее значение Mean = 118,936 мВ;
  • минимальное значение MinValue = 118,703 мВ;
  • максимальное значение MaxValue = 119,117 мВ;
  • среднеквадратическое отклонение StandardDeviation = 0,068 мВ.

Ожидаемое идеальное значение напряжения при отсутствии отклонений в номиналах элементов схемы должно было быть равно:

 

Максимальная погрешность электронной схемы с учётом токов утечки, входного сопротивления АЦП, разброса номиналов всех компонентов равна:

В итоге суммарная электрическая погрешность цифрового термометра составляет 0,1%.

Расчёт таблицы соответствия “сопротивление – температура”

Напряжение, соответствующее сопротивлению датчика, оцифровывается с помощью АЦП и должно пересчитываться в температуру. Таблица соответствия между сопротивлением термистора и температурой поставляется вместе с датчиком. Однако данная таблица вычислена с шагом 0,1oС. С целью увеличения точности в промежутке значений между 0,1oС и получения разрешения по температуре 0,01oС исходная таблица интерполировалась. В качестве критерия интерполяции можно использовать минимум интегральной ошибки, минимум квадратичной ошибки, минимум максимального отклонения и т.п. В данной задаче рационально использовать критерий минимума квадратичной ошибки (метод наименьших квадратов). Интерполяция проводилась в программной среде Maple полиномами. Выбор степени полинома осуществлялся эмпирическим способом. Выбиралась степень полинома, и определялась максимальная величина отклонения. При интерполяции полиномом 6-й степени максимальная величина отклонения полинома от исходной кривой была почти минимальна и при увеличении степени полинома практически не росла (для полинома 8-й степени данная величина была меньше на 0,1%). График отклонения интерполирующего полинома от исходной кривой приведён на рис. 9.

Погрешность интерполяции; Графический вид таблицы соответствия температуры и цифрового кода аналого-цифрового преобразователя

При максимальной погрешности аппроксимации по сопротивлению 0,045% максимальная погрешность аппроксимации по температуре составит

что выше точности, с которой получена исходная кривая для датчика.

В итоге была получена калибровочная таблица (рис. 10) с шагом 0,01oC, которая записывалась в память микроконтроллера. В этой таблице учтены нелинейности зависимости сопротивления термистора от температуры и нелинейность формулы (3).

***

Описанный цифровой термометр позволяет решать важную медицинскую задачу – измерение температуры биологических объектов с учётом специфики области применения. Благодаря центральному звену прибора – измерительной ячейке, обеспечивающей получение высоких точностных характеристик, измерение температуры датчиком может производиться с высокой точностью и разрешением 0,01oС, что обеспечивает регистрацию даже незначительных изменений температуры при лечебных или диагностических процедурах [9] и заметно расширяет область медицинской термометрии.


Литература

1. Кромвелл Л., Ардитти М., Вейбел Ф. и др. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения / Под. ред. Р.И. Утямышева. – М.: Радио и связь, 1991.
2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1996.
3. Джексон Р.Г. Новейшие датчики / Под ред. В.В. Лучинина. – М.: Техносфера, 2007. – (Мир электроники). – С. 133–138.
4. Zurbuchen J.M. Precision thermometry // Measurement science conference tutorial “Thermometry – fundamental and practice”. – 2000.
5. Childs B.H. Practical Temperature Measurement. – Oxford, 2001. – ISBN 0-750-65080-X.
6. Nicholas J.V., White D.R. Traceable Temperatures. – 2nd еd. – Chichester: John Wiley & Sons, LTD, 2001. – ISBN 0-471-49291-4.
7. ГОСТ Р 50267.0.3-99. Изделия медицинские электрические.
8. ГОСТ 15.013-94. Система разработки и постановки продукции на производство. Медицинские изделия.
9. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А., Кузьмич А.П. Измерение температурной реакции органов человека на электролазерное воздействие // Мир измерений. – 2010. – № 3. – С. 21–25.

Полная версия статьи доступна подписчикам электронного журнала. Подписаться >>>

01.09.2010

448
Поделиться:

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>


Cannot find 'template1' template with page ''

Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки




СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!