Реограмма -- это кривая, отражающая пульсовые колебания электрического сопротивления. При увеличении кровенаполнения имеет место возрастание амплитуды кривой и наоборот, другими словами, регистрируется динамика импеданса в обратной полярности. На реограмме (рис. 1) различают систолическую и диастолическую части. Первая обусловлена притоком крови, вторая связана с венозным оттоком.

Запись реограмм производится в теплом помещении через 1,5--2 ч после приема пищи или натощак, в положении лежа на спине после 15--20-минутного отдыха. Одновременно с двумя реограммами (основной и дифференциальной) записывается ЭКГ во II стандартном отведении и иногда ФКГ в V точке или над верхушкой на одном из среднечастотных диапазонов. Желательно регистрацию реограммы производить на задержке дыхания при неполном выдохе. Запись производят при скорости движения лентопротяжного механизма 25--50 мм/с (реже -- 100 мм/с). Необходимо следить за калибровочным сигналом (0,1 Ом=10 мм).

Качественная и количественная оценка реограмм сводится к измерению и описанию амплитудных и временных отрезков кривой, которые отражают состояние тонуса сосудов, их эластичность, величину ударного объема. Кроме того, вычисляются специальные реографические показатели.

При качественном анализе учитывается форма кривой, характер анакроты и катакроты, рельеф вершины (закругленная, заостренная, платообразная, седловидная и др.), выраженность и количество дополнительных волн, их расположение на нисходящем колене кривой, наличие или отсутствие пресистолической волны.

Количественный анализ предусматривает определение следующих показателей (рис. 2):

1. Амплитуда систолической волны в мм измеряется от основания систолической волны до высшей точки реограммы.

2. Амплитуда диастолической волны в мм измеряется от основания диастолической волны до высшей ее точки.

Рис. 2 Нормальная реограмма

3. Реографический индекс (систолический -- РСИ и диастолический--РДИ)-- отношение систолической (диастолической) волны к стандартному калибровочному сигналу (0,1 Ом =10 мм), выражается в относительных единицах. Этот показатель характеризует величину и скорость притока (оттока) крови в исследуемой зоне. Амплитуда кривой измеряется от изолинии до высшей точки волны.

Рис. 3 Реографическая кривая с обозначением основных точек отсчёта

4. Интервал Q а или время распространения пульсовой волны (ВРПВ) на участке «сердце -- исследуемый орган» в секундах -- соответствует периоду напряжения при фазовом анализе систолы желудочков. Измеряется от начала зубца Q ЭКТ до начала волны реограммы, связанной с данным сердечным циклом. Интервал Q -- а уменьшается при повышении тонуса или склерозе магистральных сосудов

5. Период или время быстрого наполнения (ВНбыстр ) -- от начала подъема систолической волны реограммы до точки максимальной крутизны на ее восходящем колене (соответствует проекции вершины основного зубца дифференциальной реограммы на восходящее колено объемной реограммы). Этот показатель отражает величину ударного объема и функциональное состояние крупных сосудов.

6. Период или время медленного наполнения (ВНмедл) --от точки максимальной крутизны на восходящем колене реограммы до ее вершины. Этот показатель определяется также как разность между ВНмакс. и ВНбыстр. и отражает функциональное со стояние сосудов среднего и мелкого калибра.

7. ВНбыстр и ВНмедл составляют период максимального наполнения -- ВНмакс (или ?), который измеряется от начала восходящей части кривой до ее вершины.

8. Амплитудно-частотный показатель (АЧП) -- отношение реографического индекса (РИ) к длительности сердечного цикла R -- R. РИ/R -- R характеризует величину объемного кровотока в исследуемой области в единицу времени.

9. Отношение амплитуд систолической и диастолической волн (Ас/Ад) отражает степень преобладания артериального притока во время систолы над венозным оттоком во время диастолы.

10. Время общего наполнения (ВНобщ ) -- интервал от начала подъема реограммы отражает общее время систолического притока крови в данную сосудистую область

11. Продолжительность катакроты (?) в секундах (от высшей точки кривой реограммы до точки пересечения с изолинией)

12. Отношение времени восходящей части к времени нисходящей (?/?) в процентах.

13. Отношение времени восходящей части реограммы к длительности сердечного цикла (?/R-R) * 100 % или к сумме ?+?=Т--как показатель эластичности и тонуса сосудов.

14. Коэффициенты, отражающие отношение времени быстрого наполнения и времени медленного наполнения к общей длительности наполнения (ВНбыстр.) /(ВНобщ ), (ВНмедл )/(ВНобщ ). Следует заметить, что в реографии, как ни в одном из методов инструментальной диагностики сердечно-сосудистой системы нет единой методики количественных расчетов и нет единой терминологии. В каждом конкретном случае врач должен определить объем анализируемых показателей, который позволил бы при минимальных расчетах получить оптимальную информацию.

Регистрация реограмм осуществляется с помощью реографов. Последние состоят из следующих элементов: генератора высокой частоты, преобразователя «импеданс-напряжение», детектора, усилителя, калибровочного устройства, дифференцирующей цепочки.

Реограммы регистрируют с помощью реографов двух типов -- биполярных и тетраполярных. Конструкция биполярных реографов (например РГ1-01 или 4РГ-1) предусматривает наложение на какой-либо участок тела двух электродов, между которыми пропускают переменный ток высокой частоты. Одновременно регистрируют изменение сопротивления на исследуемом участке тела.

При биполярной методике накладывают 2 электрода, каждый из которых одновременно является токовым и измерительным, электроды фиксируют на соответствующем участке тела. Для снижения контактного сопротивления между электродом и кожей используются те же приемы, что и при записи ЭКГ. При использовании тетраполярной методики участок исследования ограничивают парой измерительных электродов, а возникшее в них напряжение снимают с помощью другой пары электродов, расположенных cнаружи по отношению к первой (токовые). Тетраполярная методика более точна, ибо резко (до минимума) снижается влияние контактного сопротивления (нет необходимости накладывать прокладки, смоченные растворами солей или щелочей, а также пользоваться электродной пастой) и электродной поляризации. Это позволяет с высокой степенью точности измерить импеданс глубинных тканей. Кроме того, достаточно точно получаемые сведения о базисном импедансе позволяют дать количественную оценку основным гемодинамическим показателям ударному и минутному объемам кровообращения.

В зависимости от целей исследований регистрируют интегральную реографию тела, грудную реографию, реографию легких, сосудов конечностей (реовазограмму), сосудов мозга (реоэнцефалограмму) и др. Измерительные электроды при этом располагают так, чтобы между ними оказалась исследуемая область .

Реограммы регистрируют обычно на многоканальных электрокардиографах, синхронно с ЭКГ и первой производной реограммы (кривой скорости). Обязательным является регистрация так называемых калибровочных сигналов, равных 0,1 Ом.

При количественном анализе соответствующих реограмм учитывают величину так называемого базового сопротивления исследуемого участка тела -- базового импеданса, который зависит от объема изучаемой зоны и ее удельного сопротивления и не включает в себя значения сопротивления, изменяющегося в результате прохождения по данному участку тела пульсовой волны.

Анализ реограммы во многом напоминает анализ сфигмограмм центрального или периферического пульса. На реограмме можно выделить систолическую волну, обусловленную систолическим притоком крови в изучаемую область, и диастолическую волну, связанную преимущественно с венозным оттоком крови (рис. 3.267).

Рис. 4 Схема определения основных параметров объемной (а) и дифференцированной (б) реограммы, зарегистрированных синхронно с ЭКГ (в).

К -- контрольный сигнал, Аарт -- амплитуда основной волны объемной реограммы (Ом), Асист -- амплитуда объемной реограммы на уровне максимума скорости нарастания систолической волны, Авен -- амплитуда венозной составляющей объемной реограммы на уровне максимальной скорости катакроты (Ом), Аинц -- амплитуда инцизуры объемной реограммы (Ом), Адикр -- амплитуда дикротической волны (Ом), Адиф/max., Адиф/сист и Адиф/диаст -- соответствующие амплитуды дифференцированной реограммы (Ом . с-1), a1 и a2 -- соответственно, время быстрого и медленного кровенаполнения (с), Тсист -- период изгнания (с), ИР -- длительность периода изоволюметрического расслабления (рассчитывается по реограмме аорты или легочной артерии), Qх -- показатель, косвенно характеризующий скорость распространения пульсовой волны (с)

При количественной оценке реографической кривой рассчитывают следующие показатели:

1. Реографический индекс (РИ) -- отношение максимальной амплитуды систолической волны к высоте калибровочного импульса (А_арт/К). Этот показатель характеризует величину суммарного кровенаполнения исследуемой области.

2. Амплитуда реограммы в момент достижения максимальной скорости подъема кривой (А_сист), а также ее отношение ко времени этого подъема (А_сист /a₁). Эти два показателя отражают величину и скорость кровенаполнения артерии изучаемого участка тела.

3. Максимальная амплитуда первой производной реограммы (А _диф/max).

4. Систоло-диастолический показатель -- отношение амплитуды систолической волны реограммы к максимальной амплитуде ее диастолической части (А_арт /А_дикр). Этот показатель косвенно характеризует состояние венозного оттока.

5. Индекс эластичности (ИЭ) -- отношение максимальной амплитуды систолической волны к ее амплитуде в конце периода наполнения сосудистой области (А_арт/А_вен). Это отношение является косвенным показателем эластичности сосудистой стенки.

6. Индекс тонуса (ИТ) -- отношение амплитуды реограммы в нижней точке инцизуры к максимальной амплитуде систолической волны (А_инц/А_арт) -- отражает величину тонуса сосудистой стенки и хорошо коррелирует с величиной общего периферического сопротивления.

7. Временной интервал Q_х (время от начала комплекса QRS ЭКГ до начала анакротического подъема систолической волны реограммы), который характеризует скорость распространения пульсовой волны.

Рассчитывают и другие временные и амплитудные показатели объемной и дифференцированной реограммы (см. рис. 3.267).

Метод реографии, благодаря своей простоте, относительно высокой информативности, безопасности и доступности, в последние годы получил широкое распространение в клинической практике. Метод дает возможность неинвазивного исследования гемодинамики практически любого органа или части тела. Реография позволяет изучить особенности артериального кровенаполнения органа или конечности, оценить состояние артериального тонуса, венозного оттока и коллатерального кровообращения, а также некоторых показателей центральной гемодинамики.

В зависимости от конкретной клинической задачи меняется зона исследования, и соответственно место наложения электродов. Поэтому различают реографию легких, сосудов мозга (реоэнцефалография), сосудов конечностей (реовазография) и др.

Тетраполярная грудная реография используется для косвенного неинвазивного определения основных показателей центральной гемодинамики -- ударного (УО) и минутного объемов (МО) и общего периферического сопротивления (ОПС).

Грудные реограммы регистрируют с помощью тетраполярного реографа (например РПГ-2-02). Два ленточных токовых электрода, между которыми пропускают электрический ток высокой частоты, располагают на шее и грудине, у основания мечевидного отростка (см. рис. 3.266). Два измерительных электрода закрепляют несколько кнутри от первых двух.

Конструкция тетраполярного реографа РПГ-2-02 позволяет с высокой точностью проводить измерения как изменяющегося сопротивления грудной клетки, обусловленного выбросом крови в сосудистую систему, так и базового сопротивления, т. е. сопротивления, которое оказывают органы грудной клетки проходящему через нее электрическому току без учета пульсации.

Величину УО определяют по формуле:

где с - удельное сопротивление крови (150 Ом/с), L -- расстояние между измерительными электродами, Z -- базовое сопротивление в Ом, ДZ -- изменение сопротивления грудной клетки во время периода изгнания.

Для определения ДZ тетраполярную реограмму регистрируют синхронно с ее первой производной (кривой скорости) (рис. 3.268). Значения ДZ рассчитывают как произведение максимальной амплитуды первой производной (в Ом/с) на длительность периода изгнания «Т» (в секундах). Максимальную амплитуду дифференцированной реограммы (А) измеряют в Ом/с, сопоставляя ее с величиной калибровочного сигнала (Ак), равного 1,0 Ом/с. Длительность изгнания определяют от начала систолической волны первой производной до нижней точки инцизуры или любым другим способом.

Рис. 5 Дифференцированная грудная реограмма и ее измерение для определения сердечного выброса

Базовое сопротивление (Z) определяется (автоматически) по показателям специального индикатора. Его измеряют обычно сразу после наложения электродов, т. е. до начала регистрации тетраполярной реограммы.

Величины УО и МО, полученные с помощью тетраполярной реографии, могут быть использованы для расчета других комплексных гемодинамических показателей -- СИ, УИ, ОПС и др. (см. ниже). Сопоставление результатов инвазивного и реографического определения основных показателей центральной гемодинамики свидетельствует о хорошем (хотя и не во всех случаях полном) совпадении результатов. Преимущества метода тетраполяной реографии раскрываются при необходимости многократно исследовать больного в динамике, в том числе для оценки эффективности терапии, во время функциональных нагрузочных тестов и т. д.

Реовазография (РВГ) -- это регистрация кровенаполнения различных сосудистых областей. Наибольшее практическое значение имеет РВГ сосудов нижних конечностей. В этих случаях для записи РВГ используют лентообразные электроды, которые устанавливают в проксимальной и дистальной частях конечности симметрично справа и слева (рис. 3.269).

Рис. 6 Схема наложения реографических электродов для регистрации реовазограмм сосудов нижних и верхних конечностей

При анализе РВГ конечностей оценивают форму кривой, некоторые количественные показатели РВГ, а также обращают внимание на симметричность РВГ, зарегистрированных на одних и тех же участках конечности справа и слева. Такой анализ позволяет: 1) выявить локализацию и распространенность нарушения периферического кровообращения по магистральным артериям; 2) оценить тонус сосудов, а также 3) состояние коллатерального кровотока.

Патологические изменения РВГ различных сосудистых областей характеризуются однотипностью. Так, при при уменьшении кровенаполнения какой-либо области (гиповолемии) наблюдается снижение амплитуды и уплощение вершины систолической волны, уменьшение скорости анакротического подъема РВГ (рис. 3.270, б).

Для повышения тонуса сосудов характерно уменьшение амплитуды систолической волны, закругленность ее вершины, высокое расположение инцизуры и увеличение амплитуды диастолической волны (рис. 3.270, в).

При снижении тонуса сосудов наблюдается увеличение амплитуды систолической волны, заостренная вершина с крутым подъемом (анакротой) и быстрым спадом и низко расположенная инцизура (рис. 3.270, г).

Увеличение кровенаполнения какой-либо сосудистой области (гиперволемия) характеризуется увеличением амплитуды и заострением вершины систолической волны РВГ, плохо выраженной инцизурой и низким расположением диастолической волны (рис. 3.270, д).

Рис. 7 Схематическое изображение различных типов реографической кривой: а -- норма, б -- уменьшение кровенапонения органа (гиповолемический тип кривой), в -- повышение тонуса сосудов, г -- понижение тонуса сосудов, д -- увеличение кровенаполнения органа (гиперволемия)

Реоэнцефалография (РЭГ) используется для косвенной оценки кровенаполнения сосудов головного мозга.

Для регистрации РЭГ обоих полушарий головного мозга электроды располагают симметрично справа и слева так, чтобы «зондирующий» электрической ток проходил через различные участки головного мозга, кровоснабжаемые внутренней сонной артерией, позвоночной артерией, передней и средней мозговой артерией и т. п. Чаще всего электроды фиксируют справа и слева на лобной кости и в области сосцевидного отростка.

Для дифференцирования органических и функциональных нарушений кровообращения применяют фармакологические пробы (эуфиллин, нитроглицерин и др.).

Качественный и количественный анализ РЭГ позволяет выявить:

1. Межполушарную асимметрию кровоснабжения головного мозга и уточнить локализацию этих нарушений.

2. Установить преобладание функциональных или органических расстройств кровоснабжения головного мозга (при использовании фармакологических препаратов).

3. Уточнить преобладающие механизмы выявляемых нарушений (стеноз артерий, склеротические изменения сосудов головного мозга, повышение или снижение тонуса артериальной стенки, нарушения венозного оттока и др.).

Так, например, при стенозе одной из крупных артерий головного мозга РЭГ, зарегистрированная в бассейне ее кровоснабжения, отличается низкой амплитудой, уплощенной вершиной, плохо выраженной инцизурой и диастолической (дикротической) волны. В этих случаях обычно определяется четко выраженная асимметрия РЭГ, зарегистрированная справа и слева.

Выраженные атеросклеротические изменения сосудов головного мозга, ведущие к снижению их эластичности, сопровождаются появлением аркообразной формы кривой с плохо выраженной дикротической волной, поздним началом подъема систолической волны (увеличение интервала Qх) и уменьшением индекса эластичности.

При повышении тонуса артериол и ангиоспазме уменьшается скорость медленного наполнения РЭГ, которая отражает движение крови преимущественно по мелким артериальным сосудам. Инцизура приближается к вершине реографической кривой, повышается индекс тонуса.

При застойных явлениях в венозном русле церебрального кровообращения отмечается увеличение амплитуды диастолической волны и, соответственно, снижение систоло-диастолического показателя.

Нормализация или положительная динамика реографических показателей и формы РЭГ после фармакологических проб свидетельствует о преимущественно функциональном характере найденных изменений (например спазм артерий или снижение венозного тонуса). Сохранение патологических изменений РЭГ после использования фармакологических препаратов говорит в пользу преобладания органических изменений (атеросклероз, стенозирование просвета артерий, тромбоз).

Реография легочной артерии. Для оценки гемодинамики малого круга кровообращения используется методика реографии, разработанная Ю. Т. Пушкарем (1968, 1970). Один из реографических электродов располагают во II межреберье по правой срединно-ключичной линии, другой -- справа, на уровне угла лопатки. При таком расположении электродов электрический ток, пропускаемый между ними, как бы зондирует правую ветвь легочной артерии, а полученная таким образом реограмма отражает как процесс наполнения ЛА во время изгнания крови правым желудочком (систолическая волна реограммы), так и отток крови из легочных вен к левому предсердию (диастолическая волна реограммы).

Анализ формы кривой и изменений количественных показателей реограммы легочной артерии позволяет составить представление об изменениях УО и скорости сокращения ПЖ, а также о наличии признаков артериальной (прекапиллярной) и/или венозной (посткапиллярной) легочной гипертензии.

В практическом отношении важно различать два типа изменений легочной реограммы у больных с повышением давления в ЛА (рис. 3.271):

1. Для артериальной (прекапиллярной) легочной гипертензии характерно относительное уменьшение амплитуды систолической волны РГ, закругление и зазубренность ее вершины, высоко расположенная инцизура и почти горизонтальный ход кривой в диастоле (рис. 3.271, а). Эти изменения обусловлены уменьшением эластичности ЛА и ее ветвей, повышением тонуса артериальных сосудов и легочного периферического сопротивления.

2. Для посткапиллярной (венозной) легочной гипертензии с явлениями венозного застоя в легких наряду с изменениями систолической волны характерно увеличение амплитуды диастолической волны РГ и, соответственно, уменьшение систоло-диастолического показателя и РИ (рис. 3.271, б). Эти изменения объясняются нарушениями оттока крови по легочным венам в левое предсердие.



Рис. 8 Изменение реограммы легочной артерии при повышении давления в ЛА: а -- преимущественно артериальный (прекапиллярный) тип легочной гипертензии, б -- преимущественно венозный (посткапиллярный) тип легочной гипертензии. Объяснение в тексте

В состав реографа (см. рис. 9) входят генератор прямоугольного напряжения ГПН; конденсаторы токорасщепительной цепи Ср1 и Ср2; опорные элементы Rо, Со, Rб; выпрямитель В; амплитудный детектор АД; активные элементы Rx, Cx.

Рис. 9 Структурная схема реографа

Конструктивно реограф представляет собой матерчатую накладку с встроенным электроемкостным датчиком и измеритель с индикацией, соединенные гибким электропроводом.

Измерению на переменном токе подлежит не только проводимость участка тела, но и его емкость. В этом случае оба параметра несут информацию об одном и том же процессе. Производя обработку результатов измерения, можно получить информацию о параметрах кровотока без влияния на точность измерения химического состава крови. При этом проводимость зависит от химического состава крови (содержание в ней солей глюкозы), емкостная составляющая от химического состава крови не зависит. При неизменном составе крови отношение выходных величин, характеризующих емкостную составляющую кровотока и активную (характеристику, полученную от проводимости), будет величиной постоянной. При уменьшении (повышении) содержания в крови глюкозы эта величина будет изменяться. Результаты исследований обрабатываются с помощью ПЭВМ.

Для измерений параметров необходимо закрепить на объекте исследования накладку и снять показания на измерителе.

Рис 10 Принципиальная электрическая схема реографа 2РГ

Амплитудно-модулированный полезный сигнал поступает через трансформатор TV1 на вход двухполупериодного выпрямителя выполненного на операционном усилителе DA1. Сглаженное напряжение усиливается инструментальным дифференциальным усилителем на прецизионных операционных уилителях DA2 и DA3 с цепями балансировки и регулятором уровня выходного сгнала. Каскад на второй половине сдвоенного операционного усилителя DA3 выполняет функции фильтра нижних частот с частотой среза 30 Гц (считается что информативный спектр реографических сигналов локализован в полосе частот от 0,5 Гц до 30 Гц). Выходной сигнал этого каскада представляет собой реографический сигнал, который далее поступает на скорректированный дифференциатор (поз. DA4) и пропускается через дополнительный активный фильтр нижних частот второго порядка (поз. DA5). В результате формируется сигнал "Диф. рео", по которому при анализе вычисляют такие показатели, как время изгнания, более точно определяется ударный объем крови.

Автоматизированная система регистрации и анализа полиреографической информации

Современный уровень развития радиоэлектронной промышленности и, в особенности, компьютерных технологий позволяет эффективно решать вопросы регистрации и количественного анализа больших объемов электрофизиологической информации.

Одним из наиболее распространенных электрофизиологических методов изучения системной и регионарной гемодинамики является импедансная реоплетизмография (реография) [3]. Ее ценными преимуществами по сравнению с инвазивными способами исследования функционального состояния сосудистого русла являются простота и оперативность подготовки пациента и проведения обследования. Реографическое оборудование отличается относительной дешевизной. Импедансный метод позволяет реализовать без ущерба для здоровья человека его многократное обследование в течение короткого интервала времени, а также обеспечить непрерывный мониторинг изменений системного и регионарного кровообращения, возникающих под влиянием функциональных воздействий на его организм.

Однако ряд причин ограничивают широкое применение реографии. Наиболее важны из них следующие:

1. Низкая помехозащищенность входных цепей реографической аппаратуры.

2. Сравнительно невысокая точность определения большинства реографических показателей, поскольку дыхательные движения, а также мышечная дрожь существенно влияют на форму реограмм.

3. Сложность и трудоемкость анализа полученной информации.

4. Отсутствие унифицированного набора реографических показателей, объективно характеризующих пульсовое кровенаполнение и тонус различных сосудистых областей.

Целью настоящей работы явилось создание аппаратно-программного комплекса (АПК), обеспечивающего удовлетворительную помехозащищенность оборудования, высокую точность определения реографических показателей, а также позволяющего уменьшить трудоемкость анализа получаемой информации и провести унификацию полиреографических исследований человека.

Конструктивно АПК был разработан на основе серийного четырехканального потенциометрического реографа Р4-02 и компьютера IBM PC/AT, имеющего цветной или монохромный монитор стандарта VGA или SVGA. Комплекс включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и программный пакет анализа реографической информации (ПАРИ) (блок-схема комплекса приведена на рис. 1).

Рис. 11. Блок-схема аппаратной части системы регистрации и анализа реографической информации

Характеристика основных элементов комплекса.

1. Реограф Р4-02 - автоматический прибор, обеспечивающий возможность синхронной регистрации реограмм четырех сосудистых областей и контрольных электрокардиограмм в одном из стандартных отведений. Запись ЭКГ осуществляется благодаря наличию автономного усилителя кардиосигнала (УКС). Возможены би- и тетраполярный варианты реографии. Постоянная составляющая импеданса биообъекта автоматически отслеживается в процессе обследования и индицируется трехразрядным семисегментным цифровым табло. Дифференциатор прибора в совокупности с устройством калибровки обеспечивает получение первых производных реограмм и их количественный анализ. Частоты генераторов зондирующего тока (40, 50, 70, 100 кГц) выбраны так, что позволяют осуществлять регистрацию пульсового кровенаполнения как поверхностно, так и глубоко расположенных сосудов, сводя к минимуму искажения, вносимые взаимным влиянием каналов [4].

2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой автономный модуль (лабораторный интерфейс), реализующий принцип поразрядного взвешивания электрических сигналов. Разработаны два варианта АЦП, различающиеся элементной базой, но идентичные по основным техническим характеристикам, а также по алгоритму управления процессом преобразования информации. Главными узлами первого варианта АЦП являются регистр последовательного приближения (микросхема К155ИР17), цифроаналоговый преобразователь (микросхема К572ПА1А), компаратор напряжений (микросхема КР597СА3А). Второй вариант АЦП создан на основе специализированной большой интегральной схемы К1113ПВ1А. Оба варианта АЦП - восьмиразрядные, программоуправляемый коммутатор (мультиплексор) на входе АЦП каждого варианта позволяет вести синхронную регистрацию реограмм по нескольким каналам (до 8 каналов).

Частота квантования аналогового сигнала на каждом канале регистрации определяется программно и составляет 160 дискрет/с. Амплитудное квантование сигнала, соответствующее 8 разрядам, - 256 дискрет, при уровнях напряжения на входе АЦП от -2,5 до +2,5 В, что полностью соответствует диапазону электрических сигналов выходных цепей реографа Р4-02.

Таким образом, аппаратная часть комплекса обеспечивает точность регистрации электрофизиологической информации в 5-6 раз превышающую таковую при сравнении с методами записи реограмм на бумажном носителе посредством аналоговых самописцев.

Оцифрованный сигнал в форме двоичного кода поступает на порт параллельного интерфейса компьютера, используемый в обычных условиях для подключения печатающего устройства. Дополнительных аппаратных доработок ЭВМ для подключения к ней АЦП не требуется. Энергопитание прибора осуществляется от собственного блока питания, обеспечивающего стабилизированные напряжения +15V, -15 V и +5 V. Вследствие малой мощности, потребляемой АЦП, его энергообеспечение возможно и от источника питания реографа Р4-02, создающего все необходимые напряжения и имеющего достаточный резерв мощности.

3. Программный пакет анализа реографической информации (ПАРИ) разработан в интегрированной среде TURBO PASCAL V.7.0 (с использованием библиотеки TURBO VISION) и состоит из нескольких субмодулей: субмодуля по-лучения и сохранения информации; субмодуля графического представления информации; суб-модуля расчета реографических показателей; субмодуля конфигурации программного пакета. Субмодуль получения и сохранения информации содержит подпрограмму управления АЦП, обеспечивает регистрацию антропометрических показателей обследуемого, осуществляет запись полученной реографической информации, а также калибровочных сигналов на магнитный носитель. Дополнительной функцией субмодуля является адаптивная фильтрация помех.

Субмодуль графического представления информации обеспечивает индикацию электрофизиологической информации на дисплее компьютера в монохромном или цветном режимах и служит для определения опорных точек реографических кривых. Предусмотрена возможность распечатки реограмм на печатающем устройстве.

Субмодуль расчета реографических показателей позволяет выполнять количественный анализ трансторакальных тетраполярных импедансных реоплетизмограмм (ТТИРПГ) по W.G. Kubicek [6], с вычислением 15-ти показателей, характеризующих системную кардиогемодинамику. В процессе его разработки реализован количественный анализ реоэнцефалограмм (РЭГ), реогепатограмм (РГГ), реовазограмм (РВГ), реограмм пародонта (РГП).

Анализ периферических реограмм осуществляется по единому алгоритму и предусматривает вычисление 17-ти показателей, отражающих пульсовое кровенаполнение и тонус периферических артериальных сосудов различного калибра, а также вен.

Определение опорных точек реограмм осуществляется по экстремумам и точкам обращения в ноль их первых производных. Регистрация первых производных позволила реализовать двухкомпонентный анализ реографических кривых (И.В.Со-колова, Х.Х.Яруллин, 1983, 1987) [1, 2, 5]. В соответствии с этим подходом производится определение амплитуды артериального компонента реографической волны (А, Ом), систолического отношения (В/А, %), венозного оттока (ВО, %) и, таким образом, определяется пульсовое кровенаполнение сосудистого региона, уровень тонуса его средних и мелких артерий и условия венозного оттока крови.

В исследовательском комплексе предусмотрена возможность распечатки результатов анализа (расчетной информации) в виде формализованной карты обследования и запись результатов в архив на магнитный носитель.

Субмодуль конфигурации позволяет по желанию исследователя до начала работы системы избрать амплитудный масштаб представления графической информации, рационально разместить графики на дисплее, при необходимости изменить скорость оцифровки реосигнала. Причем установленная при первичной настройке АПК конфигурация программного пакета сохраняется после окончания работы системы.

В заключение необходимо отметить, что описанный АПК совмещает в себе ряд функциональных возможностей двух распространенных в настоящее время систем анализа реографической информации: АПК Импекард, предназначенного для определения параметров системной кардиогемодинамики и АПК Корона, применяемого для оценки церебрального кровообращения [2]. При этом описанный АПК имеет более высокую частоту дискретизации реосигнала (для комплексов Импекард и Корона данная частота составляет 100 дискрет/с), и позволяет получать более широкий набор показателей одновременно с нескольких сосудистых областей для наблюдения за перераспределением крови между различными регионами.

Опыт эксплуатации описанного АПК (более 600 обследованных людей) показал его высокую надежность и удобство использования. Получаемая с помощью АПК информация характеризуется хорошей воспроизводимостью (с возможностью записи на жестких и гибких магнитных дисках) и высокой достоверностью.

2.3 Оптические квантовые генераторы - уникальные источники света.

Индуцированное излучение

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора -- оптического квантового генератора или лазера. Эти открытия совершили прорыв в области оптической физики.

В основу лазеров было положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на так называемые высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде.

Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

 1

2

Рис. 1. Схема возникновения индуцированного излучения (угол сильно преувеличен)

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение.

Квантовые усилители и генераторы света, в основу которых положено описанное явление, работают по схеме, схематично изображенной на рис.1. Пространство между зеркалами 1 и 2 заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов. Значительное усиление света достигается тогда, когда угол очень мал. Тогда свет испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг друга. На рис. 1 этому соответствует постепенное утолщение стрелки.

Принцип действия лазеров

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

hv=E₂-E₁,

а б в

Рис. 2. Принцип действия лазеров

а - поглощение энергии и возбуждение атома; б - атом поглотивший энергию; в - испускание атомом фотона

где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E₂ - энергия высшего энергетического уровня,

E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

На рисунке 2(а) представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде красной стрелки. Атом находится в нижнем энергетическом состоянии. На рисунке 2(б) изображён возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

где v - частота волны,

Е₂ - Е₁ - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны.

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. Это показано на рисунке 2(в).

Основные свойства лазерного луча

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.3(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что

а б

Рис 3. Взаимодействие волн

а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные волны (сложение амплитуд волн)

разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн (рис. 3(б)). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е₁ - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е₁ + Е₂

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E².

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I₁ + I₂ + I₁₂,

где I₁ - интенсивность света первого пучка,

I₂ - интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

I₁₂ = 2 (E₁ * E₂)

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I₁ + I₂, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I I₁ + I₂. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I₁ и I₂. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.

Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность.

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность.

Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10^-13 с.) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10³ Вт/см², причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал =10^-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². Если задача заключается в преодолении порога в 10¹⁷ Вт/см², то прибегают к различным методам повышения мощности.

Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10^-7 --10^-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса физики опытом с турмалином.

Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности.

Гигантский импульс

Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности.

Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10^-8 с., а максимальная мощность 10⁸ Вт.

2.4 Характеристики некоторых типов лазеров

Разнообразие лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl₂O₃ (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr₂Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr⁺³. В решетке кристалла А₂О₃ ион Сг⁺³ замещает ион Аl⁺³. Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна--в зеленой, другая--в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг⁺³: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг⁺³ достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е₁ и Е₁' , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения ? = 692,8 нм и малый -- для ??= 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr⁺, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr⁺³ очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е₁, Е₁'. При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е₁, Е₁' метастабильны. Время жизни на уровне Е₁ равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е₁, Е₁' накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е₀ (это уровень невозбужденных атомов).