Барокамера с цифровым управлением (барокамера Кравченко): Методические указания к выполнению лабораторной работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ+ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

БАРОКАМЕРА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (БАРОКАМЕРА КРАВЧЕНКО) Методические указания к выполнению лабораторной работы

Санкт+Петербург 2006

Составители: К. В. Зайченко, Л.А. Кулыгина, Л. К. Крюкова, Ю.П. Покровский, В. М. Федулов Рецензент кандидат технических наук, доцент О. И. Красильникова

Приводятся методические указания к лабораторной работе по курсам «Технические методы диагностических измерений в меди+ ко+биологических системах» и «Медико+биологические электрон+ ные системы и комплексы», выполняемой студентами, обучающи+ мися по специальности «Радиоэлектронные системы», специали+ зации «Медико+биологические электронные компьютеризирован+ ные системы». Подготовлены кафедрой радиоэлектронных комплексов и реко+ мендованы к изданию редакционно+издательским советом Санкт+ Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Редактор А. В. Подчепаева Компьютерная верстка И. С. Чернешева Подписано к печати 21.04.06. Формат 60´84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,75. Уч. +изд. л. 0,71. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционно+издательский отдел Отдел электронных публикаций и библиографии библиотеки Отдел оперативной полиграфии ГУАП 190000, Санкт+Петербург, ул. Б. Морская, 67

©

2

ГОУ ВПО «Санкт+Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», 2006

Лабораторная работа БАРОКАМЕРА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Цель работы: изучение принципа действия и особенностей техни+ ческой реализации системы автоматического управления, предназ+ наченной для поддержания заданных температуры и давления в ба+ рокамере: ознакомление с основами физиологического лечебного дей+ ствия в барокамере В. А. Кравченко. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1.1. Медико#биологические аспекты применения барокамеры Кравченко Подавляющее большинство заболеваний имеет в своей основе так называемую гипоксию, т. е. кислородное голодание клеток, тканей, организма в целом. Кислород доставляется к клеткам организма в основном с по+ мощью гемоглобина. В условиях обычного атмосферного давле+ ния количество поступающего кислорода ограничено кислород+ ной емкостью гемоглобина, т. е. его химической способностью связывать строго определенное количество кислородных моле+ кул. Кислородное голодание возникает в случаях либо понижен+ ного содержания гемоглобина, либо неспособности клеток и тка+ ней усвоить доставленный к ним кислород и по ряду других при+ чин. Основы физиологического и лечебного действия баротерапии с использованием барокамеры Кравченко связаны с декомпрессией, компрессией и температурным воздействием на конечности. Подвергаясь воздействию пониженного барометрического дав+ ления, организм больного начинает функционировать на новом уровне; наблюдается стимуляция адаптационно+защитных меха+ низмов. Под влиянием декомпрессии изменяется проницаемость клеточных мембран, улучшаются условия транспорта кислорода и питательных веществ к тканям. Улучшение гемодинамики (про+ цесса движения крови) происходит вследствие расширения сосу+ дов, особенно периферических, увеличения скорости кровотока и межклеточной жидкости. Снижение парциального давления кис+ лорода в условиях гипобарического режима уменьшает чувстви+ тельность тканей и организма в целом к гипоксии. В результате декомпрессии повышается активность обменных процессов, фер+ ментная активность (активность соединений ферментов, регули+ 3

рующих обменные процессы в организме); улучшается метаболизм тканей (совокупность процессов распада и синтеза веществ). Мес+ тная декомпрессия действует не только локально, вызывая мно+ гообразные ответные реакции, но и оказывает влияние на состоя+ ние организма в целом. В условиях гипербарического режима (компрессии) происходит перераспределение крови в организме, депонирование (застой) ее во внутренних органах или в более глубоких тканях. Под воздействием компрессии возникает вазомоторный эффект (явление сужения или расширения кровеносных сосудов), изменяется чувствительность нервных рецепторов. Повышение давления приводит также к тому, что кислород доставляется к клеткам и тканям не только с помощью гемоглобина, но и в растворенном в плазме крови виде. Поскольку под действием гипербарического кислорода улучшается микроцир+ куляция крови, то усвоение кислорода клетками резко возрастает, что в свою очередь ведет к ликвидации кислородного голодания. При баротерапии необходимо учитывать, что помещение тела в среду повышенного давления вызывает увеличение его (тела) температуры и наоборот. В то же время снижение температуры тела уменьшает, а повы+ шение температуры увеличивает потребление кислорода клетками. Следует отметить, что длительное (более 2 мин) воздействие от+ рицательного давления вызывает спазмы артериальных сосудов. В то же время применение компрессии в течение 30 с ускоряет отток крови из конечностей, но препятствует ее притоку. Поэтому наибо+ лее благоприятные условия для кровообращения в конечностях воз+ никают при использовании прерывистых режимов декомпрессии+ком+ прессии с предварительным прогреванием лампой. 1.2. Устройство барокамеры Кравченко Барокамера Кравченко представляет собой аппарат, предназна+ ченный для локального гипо+ и гипербарического воздействия на конечности. Барокамера состоит из смонтированных на отдельных тележках и соединенных между собой электрическими кабелями и шлангами собственно камеры (рис. 1) и пульта управления (рис. 2), содержа+ щего компрессорную установку и систему автоматической стабили+ зации температуры и давления, устройство и работа которой подроб+ но рассмотрены ниже. Собственно барокамера представляет собой стеклянный цилиндр 1 с закрепленными на нем передним 2 и задним 3 фланцами. В пере+ днем фланце имеется отверстие, через которое в камеру помещают 4

4 Рис. 1

12

Рис. 2

ногу или руку. Для герметизации камеры с помещенной в нее конеч+ ностью в отверстии переднего фланца закрепляется в соответствии с обхватом руки или ноги одна из пяти сменных надувных манжет 5 (в лабораторном макете вместо надувной манжеты установлена заг+ лушка). Герметизация конечности осуществляется нагнетанием воздуха в манжету при помощи резинового баллончика 4 через 5

распределительную коробку 6 (изображена крупным планом вверху рис. 1), укрепленную сверху на переднем фланце. Стравливание воз+ духа из манжеты осуществляется через ту же коробку. На распределительной коробке 6 имеются: штуцер 7 для присое+ динения манжеты; штуцер 8 для соединения распределительной ко+ робки с резиновым баллончиком 4; штуцер 9 для соединения с тоно+ метром; гайка 10 для стравливания воздуха; кран 11 для подачи воз+ духа в манжету и тонометр одновременно. На заднем фланце установлены: лампа+термоизлучатель 12; мано+ вакуумметр 13 для измерения степени компрессии или декомпрессии в камере и аварийный клапан для ограничения предельного давления в камере. В камере имеется подставка 14 для фиксации ноги, снабженная отражателем 15 прямого излучения лампы и датчиком температуры 16 системы автоматической стабилизации. Также внутри камеры зак+ реплен термометр. На пульте управления размещены (см. рис. 2) трехходовой кран 1, осуществляющий переключение режимов работы давление+ваку+ ум (в положении «Закрыто» схема стабилизации давления отклю+ чается); тумблер включения питания 2; тумблер включения лампы 3 и насоса 4, позволяющие производить предварительную установ+ ку требуемых значений давления и температуры в системе стабили+ зации до начала работы исполнительных устройств. Панель управления системы стабилизации содержит индикаторы измеренных значений давления 12 и температуры 9; индикаторы ста+ билизируемых значений давления 5 и температуры 6, состояние ко+ торых может изменяться на единицу в сторону увеличения или умень+ шения при однократном нажатии на соответствующие кнопки уп+ равления 11 и 10. Индикаторы давления содержат светодиод «Знак», загорание которого свидетельствует о работе установки в режиме «Вакуум». Цена единицы младшего разряда индикатора температу+ ры, соответствует 1°С, а индикатора давления – 0,01 кгс/см2. Свето+ диоды «Лампа» 7 и «Насос» 8 загораются в случае выдачи системой стабилизации сигнала включения соответствующего исполнитель+ ного устройства, что позволяет производить дистанционный конт+ роль за работой барокамеры. Мигание светодиода свидетельствует о предстоящем включении или выключении лампы или насоса. 1.3. Применение барокамеры Кравченко для лечения заболеваний В барокамеру помещают поврежденную конечность (ногу – до се+ редины бедра, руку – до плечевого сустава), предварительно устано+ 6

вив в отверстие переднего фланца соответствующую по диаметру ман+ жету. Затем путем нагнетания воздуха в манжету осуществляют гер+ метизацию барокамеры. В настоящее время существует ряд методик местной баротерапии. Примером может служить описанная в 1983 году В. Г. Ясногородс+ ким методика переменного гипо+ и гипербарического воздействия с постепенным нарастанием степени декомпрессии и компрессии. Про+ цедуру проводят при температуре воздуха в камере 38–40 °С, начи+ ная ее с воздействия пониженным давлением. При этом степень де+ компрессии при последующих процедурах повышается от –0,06 до –0,20 кг/см2 при продолжительности 2–5 мин. Затем проводят воз+ действие повышенным давлением. Степень компрессии постепенно увеличивается от 0,02 до 0,06 кг/см2 при продолжительности 0,5– 1,5 мин. Декомпрессию и компрессию чередуют в течение процедуры не+ сколько раз. Курс лечения включает 20–40 процедур продолжитель+ ностью 10–30 мин. 1.4. Структурная схема системы автоматической стабилизации температуры и давления Структурная схема системы стабилизации температуры и давле+ ния приведена на рис. 3. На рисунке приняты следующие обозначе+ ния: ИУТ, ИУД – индикаторы установленной температуры и давле+ ния соответственно; М – мультиплексор; Сч – двоично+десятичный счетчик; С – сумматор; Пр – преобразователь двоично+десятичного кода в двоичный; ЦАП – цифро+аналоговый преобразователь; К1, К2 – компараторы температуры и давления; ИИТ, ИИД – индикато+ ры измеренной температуры и давления соответственно; УПТ1, УПТ2 – усилители постоянного тока; ДТ1, ДТ2+Д – триггеры; У1, У2 – усилители. Предварительная установка производится путем соответствующе+ го изменения состояния счетчиков РС1 и РС2 нажатием кнопок на панели управления (каждое нажатие изменяет состояние соответ+ ствующего счетчика на единицу в сторону уменьшения или увеличе+ ния его показаний). Содержимое счетчика непрерывно высвечивает+ ся на соответствующем индикаторе (ИУТ или ИУД). В качестве датчика температуры используется размещенный не+ посредственно в барокамере транзистор КТ 312 в диодном включе+ нии. Ток через подобный прибор, а следовательно, и напряжение на нем зависят от температуры, причем эта зависимость в ряде случаев может считаться практически линейной. 7

8 Рис. 3

Датчик давления размещается в корпусе пульта управления и соеди+ няется с барокамерой гибким шлангом. Тензометрический датчик (тен+ зорезистор) стоит в одном из плеч резистивного моста, баланс которого нарушается, когда давление подводимого по шлангу воздуха отклоня+ ется от атмосферного. При этом имеется возможность фиксировать не только величину, но и знак такого отклонения. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. В изучаемой установке проводник находится в состоянии объем+ ного сжатия. Естественной входной величиной является давление окружающего газа. Постоянные входные напряжения усиливаются УПТ1 и УПТ2. Работа автоматической системы синхронизируется устройством управления, которое на схеме не показано. Цикл рабо+ ты состоит из восьми тактов. В первом такте производится сброс счетчика Сч. Во втором такте осуществляется измерение отрицательного дав+ ления. Счетчик Сч подсчитывает поступающие от устройства управ+ ления тактовые импульсы. Выходной сигнал счетчика преобразует+ ся в Пр в двоичный код, в старший разряд которого в сумматоре зано+ сится значение, соответствующее отрицательному давлению (т. е. режиму «вакуум»). Полученный двоичный код преобразуется в ЦАП к аналоговому виду. В результате на выходе ЦАП формируется нара+ стающее по ступенчатому закону напряжение отрицательной поляр+ ности, которое подается на компаратор давления К2, где сравнива+ ется с усиленным в УПТ2 сигналом датчика давления. В момент ра+ венства двух входных сигналов на выходе компаратора формируется перепад напряжения, который через дифференцирующую цепь (слу+ жащую для формирования короткого запускающего импульса) обес+ печивает прохождение на индикатор кода со счетчика. В результате на индикаторе высвечивается значение, соответству+ ющее содержимому счетчика в момент равенства выходных сигналов УПТ2 и ЦАП, которое благодаря выбранным параметрам схемы рав+ но давлению в барокамере. Если давление в барокамере положитель+ но, компаратор не срабатывает и на индикатор в данном такте ничего не записывается. В третьем такте происходит сброс счетчика Сч. В четвертом такте производится параллельное измерение темпе+ ратуры (которая всегда положительна) и положительного давления, что обеспечивается занесением в знаковый разряд в сумматоре соот+ ветствующего значения. Работа схемы осуществляется аналогично второму такту с той разницей, что на выходе ЦАП, ступенчато нара+ 9

стающее напряжение имеет положительную полярность. При сраба+ тывании компараторов К1 и К2 текущее значение счетчика Сч высве+ чивается на индикаторе ИИТ и ИИД соответственно. Параметры схе+ мы выбраны так, что высвечиваемые значения соответствуют темпе+ ратуре и давлению в требуемых единицах измерения. В пятом такте содержимое счетчика Сч снова обнуляется. Во время шестого такта тактовые входы счетчика Сч блокируют+ ся. Счетчик используется в качестве регистра, в который загружает+ ся содержимое РС1, соответствующее установленной температуре. При этом напряжение на выходе ЦАП будет также соответствовать указанной температуре. Если это напряжение окажется ниже выход+ ного напряжения УПТ1, соответствующего температуре в барокаме+ ре, произойдет срабатывание компаратора, выходной сигнал кото+ рого опрокинет Д+триггер ДТ1, что приведет к сопровождаемой заго+ ранием светодиодного индикатора выдаче команды управления лам+ пы накаливания. Интегрирующая цепь на выходе ДТ1 включена для задержки выдачи команды управления, что позволяет избежать включения лампы при однократном ложном срабатывании компара+ тора. Следует отметить, что в случае, когда срабатывание компара+ тора не произошло, лампа накаливания не включается. В седьмом такте счетчик Сч сбрасывается. В восьмом такте работа схемы осуществляется аналогично шесто+ му такту. Разница заключается в том, что в Сч загружается содержимое РС2, а также разрешается прохождение на сумматор определяющего по+ лярность выходного напряжения ЦАП сигнала «знак давления» с трехходового крана. 2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 2.1. Физические основы функционирования барокамеры Кравченко 1. Ознакомиться на лабораторной установке с устройством баро+ камеры. 2. Тумблеры «Лампа» и «Насос» перевести в нижнее положение («Выключено»), а трехходовой кран – в положение «Вакуум». Вык+ лючить питание лабораторной установки тумблером «Выкл». 3. Установить на панели управления значение стабилизируе+ мого давления в пределах 0,2–0,4 кг/см2. Значению 0,2 кгс/см 2 соответствует показание 20 на индикаторе. Нужное заданное зна+ чение устанавливается многократным нажатием кнопки «Уста+ 10

новка» (одно нажатие – одна единица). Включить тумблер «На+ сос». После включения компрессора наблюдать работу системы. После остановки насоса сравнить показания индикатора с мано+ метром и заданным давлением. 4. Выключить тумблер «Насос». 5. Установить на панели управления значение температуры, на 5–10 градусов превышающее комнатную температуру. Включить тумблер «Лампа», наблюдать работу системы стабилизации. В мо+ мент погасания лампы сравнить показание на индикаторе заданной и установившейся температуры. Записать время и определить про+ межуток времени до следующего загорания лампы. 6. Увеличить установленное значение температуры на 2–3 граду+ са. Зафиксировать установленное значение, показания индикатора «Изменение температуры» и показания термометра в момент отклю+ чения лампы. 7. Перевести трехходовый кран в положение «Закрыто», а все тум+ блеры – в нижнее положение. 2.2. Измерение температуры и давления в барокамере 1. Тумблеры питания, «Лампа» и «Насос» выключить (перевести в нижнее положение), трехходовой кран перевести в положение «Ва+ куум». К разъему на задней стенке прибора подключить блок измере+ ния температуры (БИТ), установив предварительно тумблер «Диа+ пазон» в положении 15–25 °С. Включить питание тумблером «Вкл» и через минуту записать показания температуры. 2. По индикатору «Давление» на панели прибора установить дав+ ление 0,2–0,3 кгс/см 2 (единица на индикаторе соответствует 0,01 кгс/см2). Включить тумблер «Насос». Заметить время включе+ ния. Занести в таблицу значения установившегося давления по ин+ дикатору и мановакуумметру. Записать время установления режима. 3. Установить по индикатору «Температура» температуру 27–28°С. Записать показания температуры по БИТ. Включить тумблер «Лам+ па» и запомнить время. Измерить время до выключения лампы и записать значения температуры в этот момент по БИТ и индикатору температуры на панели. Наблюдая за показаниями БИТ, записать на сколько поднимется температура после выключения лампы. Измерить время до повторного включения лампы и записать зна+ чения температуры в этот момент. Записывать показания БИТ через каждые 30 с до нового загорания лампы и далее до ее потухания и вновь до ее загорания. Зарисовать график процесса регулирования во времени. 11

4. Выключить тумблер «Насос». Перевести трехходовой кран в . положение «Давление». Выключить тумблер «Лампа» и включить 2 тумблер «Насос». Через каждые 0,05 кгс/см увеличения давления по мановакуумметру записывать показания БИТ и снять зависимость температуры от давления. Записать показания мановакуумметра и термометра по окончании работы насоса. 5. Перевести трехходовой кран в положение «Закрыто». Все тум+ блеры выключить 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К подразд. 2.1: пояснить влияние давления на: 1) нервную систему; 2) кожаный покров; 3) сосудистую систему; 4) суставно+связочный аппарат; 5) мышечную систему; 6) внутренние органы и обмен веществ. К подразд. 2.2: 1) состав следящих измерителей температуры и давления. Структур+ ная схема, передаточные функции отдельных звеньев; 2) принцип действия датчика температуры; 3) принцип действия датчика давления; 4) составляющие суммарной ошибки измерителей; 5) достоинства следящих измерителей параметров.

12

Библиографический список 1. Справочник по физиотерапии. М.: Медицина, 1992. 2. Техника и методика физиотерапевтических процедур / Под ред. И. М. Боголюбова. М.: Медицина, 1983. 3. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991. 4. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П. В. Новицкого. Л.: Энергия, 1975. 5. Боголюбов В. М., Пономаренко Г. Н. Общая физиотерапия. М.: Медицина, 2003.

13

СОДЕРЖАНИЕ 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ...................................... 1.1. Медико+биологические аспекты применения барокамеры Кравченко ............................................. 1.3. Применение барокамеры Кравченко для лечения заболеваний .......................................... 1.4. Структурная схема системы автоматической стабилизации температуры и давления ........................ 2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ .............................. 2.1. Физические основы функционирования барокамеры Кравченко ............................................. 2.2. Измерение температуры и давления в барокамере ......... 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .......................................... Библиографический список ................................................

14

3 3 7 7 11 11 11 12 13