Медицинские диагностические приборы и системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНОГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им А.Р.БЕРУНИ

ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

КАФЕДРА «ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание степени магистра технических наук

НА ТЕМУ:

«МЕДИЦИНСКИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ»

С.А. Вахилев

Ташкент - 2004 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

1.1 Классификация технических средств диагностического назначения

1.2 Основные требования к диагностической электронно-медицинской аппаратуре

1.3 Обобщенные функциональные схемы универсальной диагностической аппаратуры, их основные элементы

1.4 Приборы и системы для исследования работы сердца и сердечно-сосудистой системы

ГЛАВА 2. ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И АНАЛИЗА КОМПЛЕКСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

2.1 Технические характеристики цифрового портативного реографа "МИЦАР-РЕО"

2.2 Реография. Принцип метода

2.3 Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света

2.4 Характеристики некоторых типов лазеров

2.5 Лазерный хирургический аппарат

ГЛАВА 3. ТОМОГРАФЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ

3.1 Основы компьютерной томографии

3.2 Основы компьютерной томографии

3.3 Физические и технические основы томографии. Принципы образования послойного изображения

3.4 Получение компьютерной томограммы

3.5 Спиральная компьютерная томография

АЛОД-01"АЛКОМ"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

томография генератор квантовый

ВВЕДЕНИЕ

Древняя латинская поговорка гласит: "Diagnosis cetra - ullae therapiae fundamentum" ("Достоверный диагноз - основа любого лечения"). На протяжении многих веков усилия врачей были направлены на решение труднейшей задачи - улучшение распознавания заболеваний человека.

Потребность в методе, который позволил бы заглянуть внутрь человеческого тела, не повреждая его, была огромной, хотя и не всегда осознанной. Ведь все сведения, касающиеся нормальной и патологической анатомии человека, были основаны только на изучении трупов. После того, как в Европе стали широко изучаться вскрытия трупов, врачи смогли изучить строение органов человека, а также изменения, которые они претерпевают при тех или иных заболеваниях.

Какую огромную пользу принес бы непосредственный осмотр человеческого организма, если бы он стал вдруг "прозрачным" И вряд ли кто-нибудь из ученых прошлого мог предположить, что эта мечта вполне осуществима.

Потребность увидеть не оболочку, а структуру организма

живого человека, его анатомию и физиологию была столь насущной, что, когда чудесные лучи, позволявшиеосуществить это на практике, были наконец открыты, обычно консервативные и часто недоверчивые к новшествам врачи почти сразу поняли, что в медицине наступила новая эра.

Уже в первые дни и недели после того, как стало известно о существовании и свойствах этих лучей, врачи различных стран начали применять их для исследования важнейших органов и систем человеческого тела. В течение первого же года появились сотни научных сообщений в печати, посвященных результатам таких исследований.

Количество сообщений в последующие годы нарастало. Выяснялись все новые возможности рентгенологического метода. Появились первые книги, посвященные этому методу. Вскоре эта литература стала необозримой.

В 1946 г. известный советский клиницист и организатор здравоохранения Н.Н.Приоров на заседании, посвященном 50-летию рентгенологии, говорил: "Что стало бы сегодня с физиатрией и урологией, гинекологией и отоларингологией, неврологией и онкологией, хирургией и ортопедией, офтальмологией и травматологией, если бы лишить их того, что дала рентгенология в области диагностики и лечения?"

Но процесс науки и техники неудержим. Не успели врачи полностью освоить возможности рентгеновских лучей в диагностике, как появились другие методы, позволяющие получить изображение внутренних органов человека, дополняющие данные рентгенологического исследования. К ним относятся радионуклеидное и ультразвуковое исследования, тепловидение, ядерно-магнитный резонанс, фотонная эмиссия и некоторые другие методы, еще не получившие широкого распространения.

Эти способы основаны на использовании близких по своей природе волновых колебаний, для проникновения которых ткани человеческого тела не являются непреодолимым препятствием. Они объединяются и тем, что в результате взаимодействия волновых колебаний с органами и тканями организма на различных приемниках - экране, пленке, бумаге и др. -возникают их изображения, расшифровка которых позволяет судить о состоянии различных анатомических образований.

Такими образом, все указанные методы принципиально близки рентгенодиагностике как по своей природе, так и по характеру конечного результата их применения.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

1.1 Классификация технических средств диагностического назначения

Разнообразное применение КМ в медицинской практике привело к определенной специализации приборов. Кардиомониторы можно разделить на виды и группы, отличающиеся друг от друга контролируемыми параметрами, эксплуатационными свойствам методами обработки и представления информации. Предлагаемая классификация является в какой-то мере условной, но дает представление о сферах применения и особенностях КМ: амбулаторные (носимые), скорой помощи, клинические, тестирующие, реабилитационные, санаторно-курортные.

Амбулаторные КМ используются в стационаре и после выписки из стационара для контроля таких изменений состояния сердечной деятельности за весь период суточной активности, которые не могут быть выявлены во время непродолжительного ЭКГ-исследования в покое. На основании полученных данных производится выбор и дозировка лекарственных препаратов и определение допустимых физических нагрузок. Малые габаритные размеры, масса и автономное питание позволяют носить КМ на себе с укрепленными электродами 24 ч.

В кардиомониторе Холтера ведется непрерывная запись ЭКС на магнитную ленту с очень малой скоростью (1 мм/с). Для этого производится трансформация низкочастотного спектра ЭКС область частот, регистрируемых магнитным носителем. Обычно применяется широтно-импульсная и реже амплитудная или частотная модуляции ЭКС. Кассета с записью просматривается кардиологом при помощи специального устройства со скоростью, превышающей скорость записи в 60-120 раз. В дальнейшем метод Холтера был усовершенствован путем автоматического машинного скоростного анализа ЭКС. Обычно диагностируются основные типы аритмий и параметры смещения ST-сегмента.

Применение в амбулаторных КМ полупроводниковых запоминающих устройств и микропроцессоров позволило провести автоматический анализ аритмий и смешения сегмента ST непосредственно в приборе с запоминанием патологических фрагментов ЭКС. Удобство КМ с полупроводниковой памятью заключается в том, что данные обработки ЭКС можно получить оперативно в любой момент времени, и запуск может быть осуществлен самим больным при плохом самочувствии или во время сердечного приступа.

Кардиомониторы скорой помощи предназначены для контроля состояния сердечной деятельности, восстановления утраченного или нарушенного ритма сердца на дому и в машине скорой помощи. Все КМ позволяют вести наблюдение ЭКГ, измерять частоту сердечных сокращений (ЧСС), проводить дефибрилляцию или стимуляцию сердца. Кардиомониторы должны работать от аккумулятора машины, внутренней батареи и от сети. Масса КМ около 5-8 кг.

Клинические КМ предназначены для стационаров и могут в зависимости от назначения быть нескольких типов.

Кардиологические КМ применяются в палатах интенсивного наблюдения за кардиологическими сольными в острый период заболевания. Основное назначение КМ -- сигнализация о нарушениях ритма и проводимостисердца. Такие КМ обычно работают в автоматизированной системе оперативноговрачебного контроля за несколькими больными.

Хирургические КМ применяются во время операций на сердце исосудах и в послеоперационных палатах. В отличие от остальных типов КМ измеряют ряд дополнительных параметров кровообращения и дыхания (систолическое, среднее и диастолическое кровяное давление; минутный объем сердца; периферический пульс; температуру тела; газовый состав и т. д.). Особенностью хирургических КМ является использование в основном прямых методов измерения параметров.

3. Акушерские КМ устанавливаются в родильных залах, предродовых палатах и в отделениях интенсивного ухода за новорожденными. Кардиомониторы применяются при патологиях сердечно-сосудистой системы рожениц и контроля за новорожденными. Кардиомониторы матери и плода позволяют измерять ЧСС матери и плода по прямому ЭКС и доплеровскому эхокардиосигналу, обнаруживать нарушения ритмов и измерять силу маточных сокращений. Кардиомонитор для новорожденных (переношенных, недоношенных и травмированных в родах) и детей до двухлетнего возраста, страдающих воспалением легких, измеряет ЧСС, частоту дыхания и сигнализирует о нарушениях ритма сердца и остановках дыхания.

Тестирующие КМ предназначены для функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы здоровых и больных людей. Они позволяют автоматизировать процесс ЭКГ-исследований под нагрузкой под нескольким отведениям и определять газовый состав выдыхаемого воздуха. Обычно КМ поставляются с велоэргометрами или бегущей дорожкой для дозировки нагрузки.

Реабилитационные КМ необходимы для контроля сердечно-сосудистой системы в условиях возросших нагрузок и проверки эффективности назначенных лекарственных препаратов. Для этой цели возможно применение амбулаторных КМ, но более удобно, пользоваться мониторированием по радиоканалу или телефону. На больном укрепляется передатчик ЭКС с электродами, и ЭКС преобразуется в частотно-модулированный сигнал (для радиоканала) или в частотно-модулированный акустический сигнал (для передачи ЭКС по телефону). Анализ ЭКС ведется кардиологом или автоматически в центре наблюдения.

Санаторно-курортные КМ находят применение в кардиологических санаторных для контроля лечения, особенно в бальнеологических условиях; при грязе- и светолечении, лечебных ваннах и других процедурах. Электроды ЭКГ могут быть опущены в ванну и не крепиться на больном. Для дозировки нагрузки (терренкур) может быть использован КМ, который выдает сигнал тревоги при уходе ЧСС за установленные пределы.

Из всех перечисленных типов КМ самое важное значение имеют клинические КМ для палат интенсивного наблюдения. Кроме того, их устройство наиболее сложно и включает в себя элементы остальных типов КМ. Поэтому далее будут рассматриваться только клинические КМ для палат интенсивного наблюдения.

1.2 Основные требования к диагностической электронно-медицинской аппаратуре

Длительный опыт разработки и внедрения кардиомониторов (КМ) в клиническую практику позволяет сформулировать ряд медицинских и эксплуатационных требований, которым должны удовлетворять КМ. Некоторые из них противоречивы, а выполнение других затруднено, но перечисленные ниже требования позволят представить себе идеализированный КМ и оценить степень близости реальных КМ -- идеальному.

1. Для каждого конкретного типа КМ необходим оптимальный набор диагностических признаков. Избыточность диагностических признаков усложняет программные и аппаратные средства, не повышая эффективности КМ, а в некоторых случаях являясь причиной ошибочной диагностики.

Кардиомониторы должны с высокой надежностью обнаруживать особо опасные аритмии (фибрилляцию желудочков). Угрожаемые аритмии по типу случайных событий (экстрасистолии, выпадения QRS-комплексов) не могут быть выявлены с абсолютной точностью, особенно при сложных нарушениях ритм, характеризующимися резкими изменениями амплитуды и форм желудочковых комплексов. Повышение же чувствительности КМ будет сопровождаться увеличением числа ложных тревог. Эксплуатационная документация должна содержать сведения о качестве обнаружения аритмий в контролируемых условиях.

Сигнализация тревоги в КМ должна быть дифференцирована постепени опасности для больного и различаться характером звука и цветом табло. Желательно предоставить врачу возможность выключения сигнализации по аритмиям, не имеющим значения для данного больного или присутствующим у него постоянно. Это позволит уменьшить число ложных тревог и исключить лишнее эмоциональное напряжение дежурного персонала.

Уровень помех в электрокардиосигнале (ЭКС) должен контролироваться и при превышении им допустимого предела индицироваться на

передней панели КМ. Зашумленные участки ЭКС должны исключаться из анализа аритмий. К помехам следует отнести очень малый и очень большой уровни входного сигнала, затрудняющие его обработку.

В КМ должен быть детектор нарушений в системе отведений (отрыв электрода, увеличение переходного сопротивления .кожа -- электрод).

Необходимо обеспечить правильную работу КМ во время электрической стимуляции сердца, когда артефакт стимула может восприниматься как желудочковый комплекс. Желательно, чтобы КМ обнаруживал интерференцию ритмов и неэффективную стимуляцию.

Кардиомонитор должен иметь выход текущего ЭКС для записи на кардиографе электрокардиограммы (ЭКГ) и выход запомненных фрагментов ЭКС по сигналу тревоги для анализа причин, вызывающих этот сигнал. Регистратор ЭКГ в этом случае должен включаться автоматически.

Должна быть обеспечена возможность работы КМ в автоматизированной системе оперативного врачебного контроля (АСОВК) путем передачи данных в центральный пост (ЦП) наблюдения.

В КМ должна применяться автоматическая начальная установка ряда параметров (усиление ЭКС, стабилизация изолинии, центровка ЭКС в динамическом диапазоне, исходные пороги разделения классов аритмий и т. п.), позволяющих начинать работу с прибором сразу после включения.

Необходимо применение наглядных средств отображения информации, позволяющих компоновать данные обработки ЭКС в удобной и выразительной форме (например, цветных дисплеев телевизионного типа).

Кардиомонитор должен иметь устройства документирования текущей и накопленной информации о сердечном ритме (получения «твердых» копий необходимых данных).

Необходимо обеспечить самоконтроль КМ в .момент включения и в процессе работы без перерыва в обработке ЭКС с сигнализацией о неисправностях.

Конструкция КМ, его элементная база и схемные решения должны предусматривать длительный непрерывный режим работы, обеспечивая высокие показатели надежности.

Для сокращения времени ремонта в КМ должны применяться автоматические методы поиска неисправностей при помощи встроенных программных и аппаратных средств.

Кардиомонитор должен иметь защиту от повреждения при воздействии на больного дефибриллирующим импульсом.

Так как во время лечения возможны внутрисердечные вмешательства (эндокардиальная электрическая стимуляция сердца) и нарушения кожных покровов (инъекции, капельницы и т. п.), то КМ должны быть наполнены по высшему классу защиты от поражения электрическим током больного и обслуживающего персонала

(класс II, тип CF).

Необходимо добиваться наилучшего соотношения стоимость -- эффективность, учитывая, что в палате интенсивной терапии может находиться от 6 до 12 кардиомониторов.

Кроме перечисленных основных медицинских и эксплуатационных требований на КМ распространяются государственные и отраслевые стандарты на электронные медицинские приборы, регламентирующие показатели качества, диапазон изменения параметров и погрешности измерений. Разработка оптимальных по свои функциям КМ осложняется тем, что не существует типового состава оборудования палаты интенсивного наблюдения.

1.3 Обобщенные функциональные схемы универсальной диагностической аппаратуры, их основные элементы

Несмотря на большое разнообразие КМ, все они могут бы описаны одной обобщенной структурной схемой (рис. 1). Электрокардиосигнал с электродов поступает в блок усиления и преобразования, который усиливает его до уровня, необходимого для его обработки. Блок ограничивает спектр частот входного сигнала с целью повышения помехоустойчивости и надежного выделения информативных признаков ЭКС и производит его дискретизацию (аналого-цифровое преобразование), если в дальнейшем предполагается цифровая обработка сигнала. При использовании беспроводного канала связи между больным и КМ электрокардиосигнал с электродов модулирует генератор передатчика, размещенного на больном. Принимаемый сигнал с приемника поступает в блок усиления и преобразования. ,

Усиленный и преобразованный в цифровую форму ЭКС (если предусматривается цифровая обработка сигнала) поступает в блок обработки, где в соответствии с принятыми алгоритмами аналоговым или цифровым методами производится: обнаружение QRS-комплексов или R-зубцов, классификация QRS-комплексов на нормальные и патологические. Идентифицированные комплексы QRS и значения интервалов RR поступают в блок формирования диагностических заключений. На основании полученных данных по алгоритмам выделения аритмий формируются соответствующие диагнозы.

Диагностические заключения сравниваются в блоке формирования сигналов тревоги с порогами, установленными для сигнализации. Электрокардиосигнал и диагностические заключения о характере аритмий индицируются в блоке отображения информации.

В зависимости от технического исполнения КМ могут быть инструментальными и вычислительными.

Значительные искажения, что не позволяет достоверно дифференцировать нормальные и патологические желудочковые комплексы. Поэтому КМ такого типа в основном позволяют вести наблюдение ЭКГ по экрану ЭЛТ, измерять ЧСС и классифицировать фоновые нарушения ритма по установленным порогам для ЧСС. Примером такого КМ может служить ритмокардиометр РКМ-01.

Рассмотренные КМ не позволяют классифицировать аритмии по типу случайных событий, многие из которых можно обнаружить на основании автоматического анализа RR-интервалов. Применение цифровых схем на жесткой логике в блоке формирования диагностических заключений (см. рис. 1) позволило создать простой КМ -- ритмокардиоанализатор РКА-01, который позволяет обнаруживать экстрасистолы и выпадения QRS-комплексов.

В кардиосигнализаторе КС-02 экстрасистолы и выпадения.. QRS-комплексов обнаруживаются путем преобразования интервалов в амплитуду пилообразного напряжения и сравнения ее с пороговыми значениями.

Инструментальные КМ имеют ограниченные функциональные и технические возможности и на настоящем этапе не удовлетворяют, медицинским задачам. . t Вычислительные КМ позволяют решать значительный круг медицинских, технических и эксплуатационных задач при помощи, ЭВМ, т. е. программным способом, что позволяет расширять классы обнаружения аритмий за счет усложнения алгоритмов. Функции вычислительной техники в КЧ сводятся к цифровой обработке ЭКС, анализу данных обработки, отображению результатов анализа и управлению прибором. В качестве ЭВМ используются встроенные аппаратные средства вычислительной техники: однокристальные одноплатные микроЭВМ и микропроцессорные системы.

Наиболее простой путь реализации вычислительных КМ -- это применение в них одноплатных функционально законченных микроЭВМ. На рис. 3 приведена структурная схема КМ на основе двух микроЭВМ.

Усиленный ЭКС дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и в цифровом виде поступает на вход микроЭВМ 1. В этой микроЭВМ осуществляется операция сжатия исходного описания. Оно уменьшает количество отсчетов в 10-15 раз, что снижает требования к быстродействию аппаратных средств и позволяет синтезировать простые структурные алгоритмы обнаружения QRS-комплекса, выделения его характерных точек. Сжатое описание ЭКС поступает в микроЭВМ2. МикроЭВМ2 выполняет все последующие процедуры анализа аритмий: измерение RR-интервалов; изменение параметров QRS-комплексов; классификацию по их форме на нормальные и патологические; обнаружение аритмий и возможных помех. Программы наблюдения вводятся в микроЭВМ2 посредством клавиатуры КМ. Выходы МикроЭВМ2 соединяются с блоком интерфейса, осуществляющего связь с центральным постом (ЦП), и блоком формирования результатов анализа. В удобной для врача форме результаты анализа поступают на устройство отображения данных -- электронно-лучевой дисплей телевизионного типа. При возникновении нарушений ритма, опасных для больного, включается сигнализация тревоги.

1-рис

Применение двух микроЭВМ в вычислительной части КМ продиктовано жестким режимом реального времени при достаточной сложности реализуемых программ л ограниченности объема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемого изготовителем микроЭВМ по заказу пользователя. Более гибким решением является применение вычислителей на основе типовых комплексов интегральных микросхем. Такое выполнение вычислительной части КМ хотя и требует затрат на разработку, но не накладывает каких-либо серьезных ограничений на характеристики КМ и АСОВК.

Функциональный состав электронных устройств

Электронные устройства (ЭУ) кардиомониторов в самом общем случае представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для преобразования, обработки и отображения информации. В нашем случае под информацией понимается электрокардиосигнал (ЭКС) и данные его обработки в кардиомониторах на всех этапах, а также управляющие и тестирующие сигналы. Основной состав ЭУ охватывает широкий арсенал аналоговых и цифровых полупроводниковых схем, обеспечивающих выполнение функций:

усиления ЭКС при значимых синфазных электрических помехах;

преобразования ЭКС в удобную для обработки форму;

анализа ЭКС во временной или частотной областях в реальном масштабе времени;

накопления и обработки данных анализа;

оперативного отображения и документирования ЭКС и результатов его обработки;

дистанционной передачи ЭКС и результатов обработки по каналам связи;

сопряжения кардиомониторов с автоматизированными системами;

автоматизации процесса управления прибором;

само диагностирования неисправностей.

Устройства съема экс в кардиомониторах

Все устройства съема медицинской информации подразделяют на 2 группы: электроды и датчики (преобразователи). Электроды используются для съема электрического сигнала, реально существующего в организме, а датчик --устройство съема, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.

Автоматический анализ электрокардиосигналов в кардиомониторах предъявляет жесткие требования к устройствам съема -- электродам ЭКГ. От качества электродов зависит достоверность результатов анализа, и следовательно, степень сложности средств, применяемых для обнаружения сигнала на фоне помех. Низкое качество съема ЭКС практически не может быть скомпенсировано никакими техническими решениями.

Требования, применяемые к электродам ЭКГ, соответствуют основным требованиям к любым преобразователям биоэлектрических сигналов:

по точности восприятия сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе электрод--кожа и сохранение частотной характеристики сигнала);

идентичность электрических и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических параметров);

постоянство во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров);

низкому уровню шумов (обеспечение необходимого соотношения сигнал-шум).

* малому влиянию характеристик электродов на измерительное устройство. Как показало применение первых кардиомониторов, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широко используемые в ЭКГ, не удовлетворяют требованиям длительного непрерывного контроля ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.

Устройства отображения информации

Устройства отображения медицинской информации в кардиомониторах должны отражать состояние сердечной деятельности по ЭКС, а также вспомогательные сведения о больном и технические данные о работе кардиомонитора. Таким образом, отображенные данные включают:

априорные данные о больном (фамилия, имя и отчество, номер истории болезни, возраст, пол, дата поступления, анамнез, предварительный диагноз);

электрокардиосигнал (должен сопровождаться индикацией скорости движения изображения и калибровочным импульсом);

значения параметров ритма сердца (частота сердечных сокращений, частота экстрасистол, параметры распределения RR-интервалов);

результаты автоматического анализа аритмий (должны отображаться словами диапазона в той или иной формулировке, принятой для конкретного типа

кардиомониторов);

сигнализацию тревоги при появлении опасных аритмий (обычно индуцируется цветом светового табло с дифференциацией степени опасности);

текущее время, время появления событий и время начала проводимой терапии и других мероприятий;

сигнализацию обнаружения QRS-комплекса;

состояние прохождения сигналов управления и контроля работоспособности прибора;

сведения о нарушении работы кардиомонитора и локализации неисправности.

Отображаемая информация может носить временный -- оперативный -- характер, когда предыдущая информация стирается при появлении новой, и характер накопления данных за определенные интервалы времени. В последнем случае устройство отображения должно содержать или использовать внешнее устройство памяти для хранения данных.

1.4 Приборы и системы для исследования работы сердца и сердечно-сосудистой системы

Механокардиография

В 1935 г. Н. Н. Савицкий предложил метод графической регистрации артериального давления и назвал его механокардиографией, а получаемые при этом кривые -- тахоосциллограммами (от греч. tachys -- быстрый, oscillatio -- колебание).

Звуковой метод определения артериального давления Н. С. Короткова (1905) является простым, доступным и надежным. Он позволяет оприделить систолическое и диастолическое давление. Механокардиография, помимо этого, позволяет определять боковое, среднее, ударное, пульсовое давление, а также рассчитывать ударный и минутный объемы и величину периферического сопротивление кровотоку. Метод является бескровным, точным, необременительным для пациента и позволяет достаточно полно оценить состояние системы кровообращения.

Тахоосциллограммы записываются с помощью оптического дифференциального манометра. Получаемая кривая называется скоростной, или дифференциальной, так как она позволяет проводить анализ изменений во времени.

Регистрация тахоосциллограмм производится с помощью механокардиографа. Аппарат снабжен тремя высокочувствительными дифференциальными манометрами и одним манометром, отражающим изменение нарастания давления в манжете во время регистрации тахоосциллограммы. Запись производится на фотобумагу. Скорость движения фотобумаги при регистрации тахоосциллограммы должна составлять 10 мм/с. Запись механокардиограммы должна проводиться утром, натощак, после 30-40-минутного отдыха пациента. Для получения качественной записи требуется тщательно наложить манжету и пульсовые датчики. Регистрация тахоосциллограммы должна проводиться дважды, что дает возможность в дальнейшем более точно рассчитать уровень артериального давления. Во избежание поломки прибора все перестановки пульсовых датчиков должны проводиться только при отключенных манометрах.

Тахоосциллограмма воспроизводит скорость изменений объема тканей под манжетой, обусловленного притоком и оттоком крови в артериях при разных уровнях возрастающего (компрессионного) давления. Для регистрации тахоосциллограммы на среднюю треть плеча накладывают манжету, а на лучевую артерию -- приемник пульса. Затем в режиме компрессии синхронно записываются тахоосциллограмма, кривая компрессионного давления и сфигмограмма лучевой артерии.

Кардиография

Кардиографией (от греч. cardia -- сердце) называется метод графической регистрации сердечного толчка. Часто применяется запись верхушечного толчка, апикальная ( от apical -- верхушечный) кардиограмма.

Кардиограмма регистрируется с помощью такого же датчика, как и сфигмограмма. Пульсоприемник должен соответствовать размерам межреберных промежутков в прекардиальной области. Лучшее соприкосновение верхушки сердца с грудной клеткой и более отчетливую запись апикальной кардиограммы иногда удается получить при положении пациента на левом боку. Датчик накладывается на область верхушечного толчка. Даже небольшое смещение датчика может вызвать существенное изменение формы кривой. У здоровых лиц и больных с гипертрофией левого желудочка сердца верхушечный толчок образуется левым желудочком, но при значительной гипертрофии правого желудочка, например у больных с врожденными пороками сердца, левый контур сердца может быть образован правым желудочком. Отличить левожелудочковую кардиограмму от правожелудочковой можно путем регистрации ЭКГ в тех же точках на грудной клетке, где производится запись кардиограммы. Одновременно с кардиограммой обычно регистрируют ЭКГ и ФКГ.

Эзофагокардиография

Эзофагокардиография (ЭФГ) называется метод графической регистрации движения сердца и, в частности, левого предсердия через пищевод (oesophagus -- пищевод). Фредерик в 1887 г. на животных, а его ученик Саролеа в 1889 гю у людей впервые зарегистрировал ЭФГ. Пищевод вплотную прилежит к задней поверхности левого предсердия на уровне между VI и IX грудными позвонками на протяжении 4-6 см. Ниже к пищеводу прилежит левый желудочек, выше -- аорта. Форма ЭФГ совпадает с манометрической кривой левого предсердия. ЭФГ позволяет изучать те же временные параметры, что и манометрическая кривая, но не дает возможности судить об уровне давления в левом предсердии.

Регистрация ЭФГ производится с помощью вводимого в пищевод резинового баллоно размерами примерно 2,5 х 2,5 см, прикрепленного к полому металлическому цилиндру размером 1x1 см, который соединен с резиновой трубкой (доуденальным зондом). Перед введением зонда баллон в сложенном виде вводится внутрь цилиндра, а в пищеводе выводится из него с помощью сфигмоманометра при давлении 15-20 мм рт. ст. Металлический цилиндр с прикрепленной к нему тонкой гибкой проволокой используется в качестве электрода для записи пищеводных отведений ЭКГ. Резиновая трубка соединяется с датчиком, преобразующим колебания давления воздушного столба в электрические или оптические сигналы, которые вместе с ЭКГ и ФКГ регистрируются осциллографом.

ЭФГ производится натощак или через 3-4 часа после еды в горизонтальном положении пациента на спине. Запись ЭФГ производится при задержанном на выдохе дыхании. Зонд лицам среднего роста вводится в пищевод на глубину 38-40 см от зубов, и регистрация ЭФГ производится через 1-2 см по мере извлечения зонда. ЭФГ от левого предсердия в большинстве случаев регистрируется на уровне между 33 и 27 см, выше -- аорта, ниже -- левый желудочек. Местоположение баллона относительно отделов сердца легко контролируется с помощью пищеводных отведений ЭКГ. На уровне левого желудочка и аорты ЭФГ похожа на форму сфигмограммы центрального пульса.

ЭФГ позволяет оценивать гемодинамику при различных нарушениях ритма. Особенно большое значение ЭФГ имеет в диагностике митральных пороков сердца.

Флебосфигмография

Флебосфигмографией (от греч. phleps -- вена) называется метод графической регистрации венного пульса. Обычно производится запись пульса яремной вены, и получаемая при этом кривая называется центральным венозным пульсом.

В то время как ЭФГ отражает изменения объема и гемодинамики левой половины сердца, флебограмма отражает изменения объема и гемодинамики правой.

Запись флебограммы производится в горизонтальном положении пациента на спине с несколько приподнятым головным концом кровати или под голову пациента кладется небольшой валик. В качестве приемника пульса используется маленькая воронка или капсула, затянутая тонкой резиной. Датчик накладывается без давления, чтобы не вызвать спадения вены, и удерживается с помощью штатива. Пульсоприемник фиксируется обычно в области правой яремной вены между ножками грудино-ключично-сосцевидной мышцы сразу над ключицей. Запись флебограммы производится теми же приборами, что и запись сфигмограммы, скорость лентопротяжного механизма -- 50 или 100 мм/с. Вместе с флебограммой регистрируются ЭКГ, ФКГ и другие процессы.

Баллистокардиография

Баллистокардиографией (БКГ) называется методика, регистрирующая движения тела, обусловленные работой сердца (от греч. ballo -- бросаю). Она используется для оценки сократительной функции миокарда. Парри в 1786 г. впервые отметил механические движения тела во время сокращений сердца: он описал сотрясение кровати в такт с пульсом пациента. Старр в 1939 г. сконструировал специальный стол для записи БКГ, дал название методу и объяснение физической и физиологической сущности волн БКГ. Во время работы сердца происходит перемещение тела в направлении, противоположном движению крови. Выброс крови в аорту (вперед) сопровождается движением тела в противоположную сторону, каудально. Кровь, пройдя дугу аорты, меняет свое направление на противоположное, и тело с этого момента движется кпереди. Полагают, что величина смещения тела пропорциональна выброшенной во время систолы крови.

БКГ оценивается по соотношению амплитуды волн систолического интервала кривой. Значительные изменения БКГ наблюдаются при снижении сократительных свойств миокарда у больных с ишемической болезнью сердца, при гипертонической болезни, пороках сердца и других состояниях.

Динамография

Динамографией (ДКГ) называется метод графической регистрации перемещения центра тяжести грудной клетки человека. Метод предложен в 1952 г. Е. Б. Бабским. Пациент лежит на специальном столе, и воспринимающее устройство в виде чувствительных датчиков располагается под грудной клеткой пациента. Регистрируется, в отличие от БКГ, смещение не всего тела, а только центра тяжести грудной клетки. Метод позволяет определять длительность отдельных фаз сердечного цикла и поэтому используется для оценки сократительных свойств миокарда.

Эхокардиография

Эхокардиографией называется метод изучения строения и движения структур сердца с помощью отраженного ультразвука. Получаемое при регистрации изображение сердца называется эхокардиограммой (ЭхоКГ). Впервые ЭхоКГ была зарегистрирована в 1954 г. шведскими учеными Эдлером и Херцем; свое современное название метод получил в 1965 г. по предложению Американского института ультразвука в медицине.

Физические принципы метода основаны на том, что ультразвуковые волны проникают в ткань и частично в виде эхосигнала отражаются от границ различной плотности. Волны ультразвуковой частоты генерируются датчиком, обладающим пьезоэлектрическим эффектом и устанавливаемым над областью сердца, отраженные от структур сердца эхосигналы вновь превращаются датчиком в электрический импульс, который усиливается, регистрируется и анализируется на экране видеомонитора. Одновременно полученные результаты могут фиксироваться на фотопленке, специально химически обработанной бумаге или с помощью поляроидной камеры в виде фотоизображений. Частота ультразвуковых волн, используемых в эхокардиографии, колеблется от 2 до 5 МГц, длина -- 0,7-1,4 мм; они проникают в тело на глубину 20-25 см. Датчик работает в импульсном режиме: 0,1% времени -- как излучатель, 99,9% -- как приемник импульсов. Такое соотношение времени передачи и приема импульсов позволяет вести непрерывное наблюдение на экране видеомонитора. Для выделения отдельных фаз сердечного цикла синхронно с ЭхоКГ регистрируютмя ЭКГ, ФКГ или сфигмограмма.

В настоящее время помимо одномерной эхокардиографии, позволяющей анализировать строение и движение структур сердца -- М-режим (от лат. motio -- движение), используется двумерная в реальном масштабе времени и начинается применение трехмерной, объемной, эхокардиографии.

Противопоказаний к использованию эхокардиографии практически нет. Трудности ЭхоКГ наблюдаются у лиц с узкими межреберными промежутками и при различных деформациях грудной клетки, так как костная ткань у взрослых полностью отражает и поглощает ультразвуковые волны. Аналогичные трудности наблюдаются при эмфиземе легких: повышенная воздушность легких и прикрытие ими сердца делают невозможным проникновение ультразвука в сердце. Могут наблюдаться трудности, связанные не только с регистрацией, но и с анализом ЭхоКГ из-за явлений реверберации (от лат. reverberate -- отражать), т. е. повторного отражения одной и той же волны ультразвуковым датчиком и появления ложных эхосигналов.

Исследование производится в затемненном помещении с целью лучшего наблюдения за экраном видеомонитора. Пациент находится в горизонтальном на спине положении со слегка приподнятым головным концом кровати, иногда бывает необходимо зарегистрировать ЭхоКГ в положении пациента на левом боку. Запись ЭхоКГ производится на свободном или задержанном на выдохе (особенно при эмфиземе легких) дыхании.

Стандартными местами положения датчика являются второе-пятое межреберья на 2-3 см кнаружи от левого края грудины. Эта область сердца, не прикрытая легкими, называется «ультразвуковым окном». Дополнительными местами положения датчика являются область верхушки сердца, надчревная область и яремная ямка. Стандартные точки записи служат для количественного и качественного анализа ЭхоКГ, дополнительные -- только для качественного. Оптимальный акустический контакт датчика с телом создается с помощью ультразвукового геля, глицерина или вазелинового масла.

Эхокардиография позволяет проводить диагностику приобретенных и врожденных пороков сердца, пролабирование створок клапанов, выявлять тромбы и опухоли сердца, выпот в перикарде, контролировать работу искусственных клапанов сердца, выявлять аневризму сердца и другие патологические состояния.

Своим развитием метод эхокардиографии в значительной степени обязан успехам в диагностике митрального стеноза. ЭхоКГ позволяет не только диагностировать порок, но и производить оценку степени стенозирования митрального отверстия, выбрать правильный способ оперативного вмешательства, проверить эффективность митральной комиссуротомии или работу имплантированных клапанов.

Таким образом, эхокардиография является чрезвычайно ценным и быстро прогрессирующим методом диагностики патологии сердца и сосудов.

Фонокардиография

Фонокардиография представляет собой метод графической регистрации звуковых процессов, возникающих при деятельности сердца. Звуки сердца впервые графически были зарегистрированы голландским ученым Эйнтховеном еще в 1894 г. Однако из-за несовершенства аппаратуры клиническое распространение метод фонокардиографии получил только в последние 20-25 лет после создания достаточно надежных аппаратов. Фонокардиография имеет ряд преимуществ перед аускультацией. Она позволяет исследовать звуки сердца в диапазонах, не доступных или почти не доступных слуховому восприятию (например, III и IV тоны сердца); исследование формы и продолжительности звуков с помощью ФКГ позволяет проводить их качественный и количественный анализ, что также недоступно аускультации. Наконец, фонокардиографическое исследование является документальным и позволяет осуществлять наблюдение за изменениями звуковых явлений, возникающих при работе сердца больного, в динамике.

ГЛАВА 2. Приборы и системы для регистрации и анализа комплексных электрических сопротивлений

2.1 Комплекс аппаратно-программный реографический «Мицар-РЕО»

Комплекс предназначен для проведения клинических исследований системы кровоснабжения методом реографии как в условиях медицинских учреждений, так и при выездных обследованиях. Прибор, комплекты кабелей и электродов, пакеты программного обеспечения для DOS и Windows позволяют проводить регистрацию и компьютерный анализ реограмм по методикам: реоэнцефалографии (РЭГ), реовазографии (РВГ), тетрополярной грудной реографии (ТГР) по Кубичеку, интегральной реографии (ИРГТ) по Тищенко, реографии лёгочной артерии (РЛА), реогепатографии (РГГ), реоофтальмографии (РОГ) и кардиоритмографии (КРГ) как на стационарном персональном компьютере, так и на портативном компьютере типа Notebook. Подключение к компьютеру через последовательный (СОМ) порт.

АнализРЕО

Программа визуального анализа РЕО позволяет быстро отобразить на экране монитора любой отрезок записи и измерить амплитуду и временные характеристики любого участка реограммы. Возможен одновременный анализ несколько функциональных проб РЕО, либо сравнение с архивными записями. При автоматизированном анализе программа выделяет характерные точки РЕО для каждого выбранного врачом участка записи, с возможностью -- ручнойiг корректировки их положения и исключения артефактных реографических циклов. Большой набор реографических показателей автоматически рассчитывается, сравнивается с нормативными значениями, и заносится в "заключение врача" в виде таблиц и текстового описания. По желанию выполняется сравнение показателей между функциональными пробами или записями в табличном или графическом виде, формируются усредненные реокомплексы и динамика показателей. Совместимость с MS Word. При настройке программы врачем-пользователем обеспечивается возможность задания схемы отведений, перечня реографических показателей, таблиц нормативных величин, словаря текстового описания и шаблонов заключений. Программа обеспечивает высококачественную печать выбранных участков записи и заключения на любом принтере. Встроенная база данных обеспечивает быстрый поиск интересующих результатов обследования.

КРГ

Запись ЭКГ по одному отведению с сохранением кардиограммы на жестком диске. Программа анализа ЭКГ реализует оригинальный алгоритм обработки артефактов, позволяет рассчитывать функцию вариации ритма в трех диапазонах частот, диаграмму спектрального распределения RR-интервалов, скаттерограмму, основные статистические характеристики по выбору пользователя. Большой набор показателей, включая показатели по Баевскому, автоматически рассчитывается, сравнивается с нормативными значениями и заносится в заключение врача в виде таблицы и текстового описания. Программа позволяет проводить различные функциональные пробы (медикаментозные, дыхательные, ортостатические, нагрузочные на велоэргометре и т. п.). Возможна работа с электроэнцефалографом "Мицар-ЭЭГ"

2.1 Технические характеристики цифрового портативного реографа "МИЦАР-РЕО"

Число каналов реограммы 4

Число каналов дифференциальной реограммы 4

Число каналов электрокардиограммы 1

Частота измерительного тока 50, 100 кГц

Действующее значение измерительного тока 0.5 мА

Диапазон измерения:

1. базового сопротивления 10-700 Ом

2. объемной реограммы 0.01-1.0 Ом

Полоса пропускания 0.15-27 Гц

Относительное отклонение коэффициента передачи каналов 3 %

АЦП 12 бит

Частота оцифровки 350 Гц

Масса 0.5 кг (без компьютера)

Питание прибора осуществляется от четырех пальчиковых батарей типоразмера АА напряжением 1.5 В. Одного комплекта батарей достаточно не менее чем для 50-ти часов непрерывной регистрации реограммы или кардиограммы. Прибор комплектуется комплектом кабелей и электродов для съёма реограмм по методикам РЭГ, РВГ, ТГР по Кубичеку и ИРГТ по Тищенко. Электроды для РЛА, РГГ, электроды для РОГ и кабели для их подключения поставляются по отдельному заказу. Возможна совместная работа с базой данных WinPatientExpert для Windows.

Реограф-полианализатор для комплексного исследования параметров крово обращения "РЕАН-ПОЛИ" разработан на базе сигналь ного процессора ADSP-2181 KS-133 и 22-разрядных АЦП, выпускается в 8 модификациях и обеспечи вает регистрацию и анализ сигналов импедан сной плетизмо графии (реографии) по 6 каналам и физиологи ческих сигналов по 6 поли графичес ким каналам в любом сочетании:

· электрокардиограммы (ЭКГ),

· фотоплетимзограммы (ФПГ),

· кожно-гальванической реакции (КГР),

· сейсмокардиограммы (СКГ),

· пневмограммы (ПГ),

· температуры,

· давления.

Программное обеспечение (ОС Windows'98) позволяет осуществлять ис следова ния мозгового, перифери ческого и крово обращения внутрен них органов, центральной гемо динамики (импедан сная кардио графия) с возмож ностью монитори рования показа телей гемо динамики и анализа адап тацион ных реакций сердечно-сосудис той системы. Осущест вляется оценка гомео статичес кой функции сердца, типа гемодинамики, выявление компен саторных и патологи ческих звеньев сердечно-сосудистой системы по переходным процессам различных показателей центрального, мозгового и перифери чес кого крово обращения с исполь зованием провоци рующих воздействий. Проводится автомати чес кий анализ и интерпретация пульсового крове наполнения, эластико-тонических свойств артерий разного калибра, состояния веноз ного оттока.

Предусмотрены питание прибора от аккумуляторов и связь с ЭВМ (NoteBook) через USB-порт. Предназна чен для широкого клини чес кого применения, проведения научных ис следо ваний, а в составе комплекса "РЕАКОР" применяется для проведения реабилитации методом тренинга с биологической обратной связью (biofeedback).

Основные технические характеристики:

Диапазоны измерения величин

· РГ базовый импеданс, Ом: от 10 до 700

· РГ объемная, Ом: от 0,02 до 4

· РГ дифференциальная, Ом/с: от 0,5 до 60

· ЭКГ, мВ: от 0,1 до 8

· СКГ, мкВ: от 5 до 5000

· ФПГ (постоянная составляющая), 0/00: от 100 до 1000

· ФПГ (переменная составляющая), 0/00: от 0,5 до 40

· ФПГ дифференциальная, 0/00 /с: от 1 до 200

· КГР, %: от 0,5 до 10

· ПГ, мм: от 1 до 100

· Давление, мм рт.ст: от 10 до 300

· Переменная составляющая давления,мм рт.ст.: от 0,1 до 10

· Дифференциальное давление, мм рт.cт./с: от 2 до 200

Уровень шумов, приведенных ко входу

· РГ объемная, Ом: 0,003

· ЭКГ, мкВ: 10

· ФПГ переменная составляющая, 0/00: 0,1

· КГР, %: 0,1

· ПГ, мм: 0,3

· Переменная составляющая давления, мм: рт.ст 0,05

Частота среза фильтров (ФВЧ)/(ФНЧ), Гц

· РГ, объемная: (0,05; 0,16; 0,5; 1,6)/(10; 25)

· ЭКГ: (0,05; 0,5)/(40; 75)

· ФПГ, переменная составляющая: (0,05; 0,16; 0,5; 1,6)/(10; 25)

· КГР: (0,05; 0,16; 0,5)/(1; 2; 5)

· ПГ: (0; 0,05;0,16)/(1; 2; 5)

· Переменная составляющая давления: (0,16; 0,5)/(10; 25)

· СКГ: (40)/(75)

разрядность АЦП - 16 (22 исходных)

частота дискретизации - 250 Гц

вес (без компьютера) - 1 кг

Реограф-полианализатор имеет малые габариты и вес, что позволяет закреплять его непосред ствен но на пациенте при проведении проб с физичес кой нагрузкой.

Основные функции:

Реоэнцефалографические исследования: оценка состояния сосудов головного мозга (пульсовое крове наполне ние, эластико-тонические свойства сосудов различ ного калибра, состояние венозного оттока, меж полушар ную асимметрию, особенности регионар ного распределения и др.), топографи ческое картиро вание основных количест вен ных показателей (реографи ческий индекс, показатель перифери ческого сосудис того сопротив ления и др.) мозгового крово обращения.

Реовазографические исследования с одновремен ной регистрацией и анализом до 6-ти отведений в различных сочетаниях (бедро, голень, стопа, пальцы ног, плечо, предплечье, кисть, пальцы рук). Позволяет выявить нарушения крово обращения конечностей, объективно подтвердить такие диагнозы, как облитери рующий эндартериит, болезнь Рейно и др.

Исследование центральной гемодинамики: определение сердечного выброса, классификация гемо динами ческого синдрома, оценка фазовых характеристик сердеч ной деятель ности (тетра полярная грудная реография по Кубичеку, интегральная реография по Тищенко, реография аорты и легочной артерии; съем может производиться с возможной одновремен ной регистра цией сейсмо кардиограм мы для более точного определе ния периода изгнания).

Реопульмонографические исследования: оценка кровоснабжения и вентиляции зон легких (до 6 зон), реография легочной артерии, оценка легочного артериаль ного давления косвен ными методами.

Реогепатографические исследования: оценка кровоснабжения левой и правой доли печени с характе рис тикой пульсового крове наполне ния, эластико-тоничес ких свойств сосудов различ ного калибра, состояния веноз ного оттока.

Реонефрографические исследования (двухканальная реография почек). Предлагаемая схема наложения электродов позволяет неинвазивно и без исполь зования специальных зондов оценивать функциональ ное состояние соответ ствующих бассейнов крово обращения.

2.2 Реография. Принцип метода

Реография -- это метод исследования общего и регионарного кровообращения, основанный на графической регистрации изменений электрического сопротивления тканей, возникающих при прохождении по ним пульсовой волны.

Живые ткани организма являются проводниками электрического тока. При этом разные ткани обладают разной электропроводностью, или, что то же, -- разным электрическим сопротивлением. Наименьшим сопротивлением обладают жидкие среды организма, в первую очередь кровь. Поэтому, если через какой-то участок тела пропускать безвредный для организма переменный электрический ток высокой частоты (порядка 100 кГц) и малой силы (не более 10 мА) и одновременно регистрировать электрическое сопротивление этого участка, то окажется, что такое сопротивление будет постоянно меняться в связи с прохождением по тканям пульсовой волны. Чем больше кровенаполнение тканей, тем меньше их сопротивление. Таким образом, кривая изменения сопротивления хорошо отражает кровенаполнение тканей при прохождении по ним пульсовой волны.

Более полное представление о пульсовых колебаниях электрического сопротивления получают при учете (соотношении) базового сопротивления исследуемого участка (т. е. суммарного сопротивления тела зондирующему току с частотой 50--100 кГц). Полный импеданс (сопротивление) состоит из двух величин, постоянный или базовый импеданс, обусловленный общим кровенаполнением тканей и их сопротивлением, и переменный или пульсовой импеданс, вызванный колебаниями кровенаполнения во время сердечного цикла. Величина пульсового импеданса ничтожно мала и составляет не более 0,5 % общего импеданса. Вместе с тем, пульсовой импеданс составляет объект изучения для реографии.