Вимірювання тиску в серцево-судинній системі - динаміка серцево-судинної системи
Відео: Висока діастолічний тиск: причини і лікування
Відео: Як правильно міряти артеріальний тиск
Вимірювання тиску в пульсуючих камерах, припливу і відпливу рідини в судинах є найбільш важливим для визначення стану простих гідравлічних систем (як показано на рис. 2.2). Дослідження венозних, передсердних, шлуночкових та артеріальних тисків дуже важливо при вивченні кровообігу. Реєстрація стану і малих змін тиску проводиться шляхом простих манометрів з вертикальним стовпом рідини, що володіє відомим вагою. Такі манометри широко використовувалися для вимірювання венозного тиску в минулому. Швидкі коливання в камерах шлуночків і в великих артеріях можуть бути точно зареєстровані тільки за допомогою високочастотних манометрів. Наявність цих коливань визначає необхідність датчиків з відповідною чутливістю для реєстрації швидких змін тиску (які можуть бути представлені в термінах, що характеризують і прості механічні системи).
Механічні перетворювачі тиску
У найпростішому випадку механічні перетворювачі тиску, або механічні манометри, являють собою барабанчики з еластичної мембраною, з`єднані з пишучим важелем. Якщо мембрана натягнута дуже слабо, дуже малі зміни тиску можуть зміщувати її і пише важіль (рис. 2.4).
Відео: Передача 3. Серцево-судинна система. Як виміряти артеріальний тиск? Частина 2
МАЛ. 2.4. МЕХАНІЧНІ МАНОМЕТРИ ДЛЯ РЕЄСТРАЦІЇ ТИСКУ.
У різних типах механічних манометрів зміни тиску викликають зміщення еластичної мембрани, які за допомогою системи важелів реєструються на рухомій стрічці кимографа. Для того щоб змістити мембрану, рідина повинна надходити в монометра. Інерція рідини з мембрани, а також реєструють важелів заважає зсуву. У разі, якщо величина рухається маси є великий, г мембрана - не жорсткою, яка реєструє система дуже чутлива до найменших коливань тиску, але не може відповідати на швидкі изме нения тиску. Зменшуючи величину рухається маси і використовуючи більш жорстку мембрану, можна знизити чутливість, але поліпшити частотні характеристики манометра.
При підвищенні тиску значні кількості рідини повинні пересуватися уздовж трубок і надходити в барабанчик, щоб викликати відповідний зсув мембрани і пише важеля. Інерція рідини і важеля протидіє швидких зсувів при швидких коливаннях тиску, а слабо натягнута мембрана розвиває щодо дуже невеликі сили, необхідні для повернення рідини і важеля до вихідного рівня, коли тиск падає. Отже, така система не може коливатися досить швидко для того, щоб зробити справжні коливання величини артеріального тиску. Природна частота коливань механічних манометрів може бути представлена наочно у вигляді маси, підвішеною до жорсткої пружині. Чим менше маса і чим жорсткіше пружина, тим швидше осциляції, які виникають після зсуву початкового рівня (див. Також главу II). У разі, якщо маса рідини і важеля є великий по відношенню до напруги мембрани, осциляції виявляються повільними. Якщо ж мембрана натягнута дуже сильно, частота коливань зростає. Чутливість, т. З. ступінь відхилень, що виникають при певному зміні тиску, відповідно падає.
Більш повний опис різних механічних манометрів було зроблено Cobbold.
У наш електронний вік не дивно те, що слабкі рухи жорсткої мембрани манометра можуть бути використані для генерації коливань електричного поля, які можна посилити і зареєструвати. Різні типи електронних манометрів можуть бути розбиті на декілька груп: 1) тензометри- 2) конденсаторні манометри;
- індуктивні манометри (рис. 2.5).
У кожному разі жорстка мембрана, яка потребує для реєстрації зміщення вельми малих об`ємів рідини і володіє досить високою власною частотою коливань, завдяки підсилювачів дає досить потужні сигнали, які можуть бути зареєстровані різними типами осцилографів.
МАЛ. 2.5. ЕЛЕКТРОННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТИСКУ.
А. тензіонной манометри складаються з металевого снльфона, який стискається при підвищенні тиску всередині камери. Поздовжнє зміщення сильфона передається металевій пластинці, з`єднаної з 4 тонкими металевими дротиками, з яких 2 розтягуються, а 2 інші стискаються при русі пластинки. Зволікання складають чотири плеча містка Уитстона. Розтягування і стискання зволікань міняють їх електричний опір і викликають розбалансування моста, пропорційну величині прикладеного тиску. Різниця потенціалів, що виникає при цьому на плечах моста, пропорційна давленію- вона посилюється і реєструється різними приладами.
Б. Електронний ємнісний манометр являє собою конденсатор, утворений двома пластинками: нерухомою (чорної) і рухомий, що представляє собою металеву мембрану манометра. Пластинки розділені тонким шаром повітря, що є діелектриком, вся конструкція являє собою конденсатор, ємність якого збільшується при зсуві мембрани манометра під впливом тиску в бік нерухомої пластинки. Зміна ємності реєструється електронною схемою (по Lilly, Rev. Sci. Instruments, 1942, 13-34).
В. Зміна величини магнітного поля в двох котушках дроту може бути викликано рухом залізного сердечника всередині котушок. У диференціальному індуктивному манометре залізний сердечник кріпиться в центрі еластичної мембрани, і таким чином зміни тиску змінюють величину магнітного потоку (по Gauer, Gienapp, Science, 1950, 112, 404).
Ідеальної системи для реєстрації тиску не існує. У кожному конкретному випадку необхідно підібрати оптимальний для даних умов манометр. При цьому іноді доводиться поступатися чутливістю, зручністю, стабільністю або частотної характеристикою.
Слід підкреслити, що значимість частотних характеристик нерідко ігнорується навіть у фізіологічних експериментах, що вживаються останнім часом.
Частотні характеристики систем, що реєструють
Вважається загальновизнаним, що задовільна реєстрація буде отримана в тому випадку, коли частотна характеристика реєструє системи на один порядок перевищує основну частоту змін реєструється процесу. Наприклад, при частоті серцебиття 240 ударів в хвилину частота пульсу дорівнює 4 ударам в секунду і десятикратне збільшення частоти дорівнюватиме 40 кол / с.
МАЛ. 2.6. ХАРАКТЕРИСТИКА РІЗНИХ ПРИЛАДІВ, які застосовуються ДЛЯ РЕЄСТРАЦІЇ ТИСКУ.
Необхідно ретельно дослідити відповіді реєструють систем на коливання тиску, що відбуваються з різною частотою, і на власну частоту коливань, що реєструють. Система А відрізняється великою масою рідини, трубками великого діаметра і легко зміщується мембраною. Така система дуже чутлива до змін тиску, але генерує власні довго не затухаючі коливання. Якщо подавати на цю систему коливання тиску постійної амплітуди, але плавно зростаючої частоти, то на виході буде реєструватися спочатку зростаюча амплітуда коливань тиску, що досягає максимуму при частотах, близьких до власної частоти коливання системи, внаслідок резонансу, а потім виникає різке падіння реєстрованої амплітуди коливань. Частотна характеристика системи може бути отримана більш простим шляхом при раптовому підвищенні або раптовому падінні тиску у вигляді П-подібної хвилі. При цьому у відповідь як на підвищення, так і на раптове падіння тиску реєструє система відповість затухаючими осцілляціямі- коливаннями тиску з частотою, що відповідає її власній частоті коливань. Реєстрація кривої артеріального тиску за допомогою даної системи буде вельми недостовірною.
Система Б відрізняється жорсткою мембраною і часткової здатністю до демпфированию. Хвилі тиску однаковоюамплітуди викличуть відповіді у вигляді однакової висоти реєстрованих коливань протягом значно більшого проміжку частот. Однак при цьому амплітуда коливань кривої реєстрації різко падає до нуля в разі, якщо частота подаються коливань перевищить власну частоту коливань. При подачі на систему коливань тиску величина підйому і спаду реєстрованої кривої буде більшою, а перешкоди, звані власними коливаннями системи, дутий коротшими, ніж в системі A .. Taк систему можна з успіхом використовувати для реєстрації кривої артеріального тиску, враховуючи при цьому можливість спотворення записи лише області частот, близьких до власних частотах коливання системи. Однак перед кожною реєстрацією і в процесі її необхідно перевіряти систему подачею хвиль тиску квадратної форми, тому, що потрапляння бульбашок I духу в систему різко робить характеристики систем близькими до таких у системи А.
В системі В мембрана більш рухлива, ніж системі Б, але система В володіє при цьому виражену здатність до демпфування. Іншими словами, що реєструється нею крива відповідає подається на вхід коливань в в широкій смузі частот. Подача хвилі П-подібної форми викликає відповіді близькі до дійсних коливань тиску з дуже маленькими забросами важеля в момент крутий підйому і крутого спуску тиску (при відсутності запису власних коливань системи), така система найбільш точно відтворює характер пульсових коливань тиску в артеріяхi при 10 коливаннях в секунду і навіть при 20 (згідно з концепцією Lambert Е. Н., Jones R, Ргос. Staff. Meet Mayo Clin., 1948, 23, 487-493).
Саме така власна частота коливань реєструючого пристрою може вважатися мінімальної для отримання задовільною записи.
Хоча частотні характеристики датчика, перетворювача, гальванометра можуть бути виміряні індивідуально, важливо досліджувати частотну характеристику всієї системи в цілому. Коли датчик тиску з`єднаний з катетером, наповненим рідиною, або з голкою, що вводиться в посудину, частотна характеристика пристрою значно знижується. Рідина має масу, яка повинна коливатися, і інерція цієї маси значно знижує частотні характеристики пристрою. Коли мембрана манометра зміщується при підвищенні тиску, її еластичність повинна бути подолана інерцією всієї маси рідини всередині сполучних трубок. Маса рідини може бути зменшена при використанні трубок меншого діаметра, але лише ціною підвищення опору (викликаного тертям, що виникають при русі рідини). Таким чином, деяка частина енергії тиску розсіюється і втрачається для подолання тертя при русі рідини всередині трубок. Підвищення цього опору формує демпфирующие властивості системи. Ретельний підбір частотних характеристик системи і оптимальної величини демпфірування може значно поліпшити характеристику всієї апаратури в цілому (рис. 2.6). Демпфірування можна досягти, зменшуючи діаметр катетера і сполучних трубок, або шляхом місцевого звуження трубки або введенням в систему короткого відрізка трубки зменшеного калібру. Частотну характеристику і ступінь демпфірування будь-якої системи необхідно випробувати за методикою, наведеною на рис. 2.6. Ця процедура дозволить виключити неточні записи, викликані тимчасовим порушенням відповідних показників системи. Так, наприклад, маленькі бульбашки повітря, що залишаються в трубках в манометрі після наповнення їх рідиною, знижують частотну характеристику системи до дуже низького рівня, так як повітря має значно більшу еластичність, ніж мембрана манометра.
Артефакти, що виникають при русі серцевого катетера
МАЛ. 2.7.
Мініатюрні манометри, використовувані для імплантації в порожнині серця і судини в хронічних експериментах. Містять жорстку мембрану, на якій укріплені тензометри, що складаються з тоненьких дротиків, опір яких змінюється при зміщенні мембрани і володіють дуже високою чутливістю і хорошими
частотними характеристиками. При розташуванні мініатюрних датчиків па верхівці катетера зникають перешкоди, зазвичай виникають в разі, якщо тиск передається на манометр, розташований зовні через довгий стовп рідини, що заповнює катетер.
Тиск з порожнин серця і великих судин часто вимірюється за допомогою введення в них катетерів. Кінчики катетера зміщуються всередині серця в ритмі серцевих скорочень. Ці зміщення викликають появу артефактів, які накладаються на криву тиску і нерідко досягають амплітуди, що дорівнює 10 мм рт. ст. Величина цих артефактів значно зростає при використанні системи з високою власною частотою коливань і оптимальних величинах демпфірування. Величина систолічного і діастолічного тиску може бути досить точно виміряти і системами з низькою власною частотою коливань, але швидкі коливання тиску при цьому спотворюються. При підвищенні інтересу до динамічних властивостей серцевого викиду (див. Рис. 3.16, 3.30) швидкість зміни тиску (яка визначається за крутизні нахилу кривої) набуває величезного значення. Так, наприклад, максимум швидкості зміни тиску в лівому шлуночку в нормі у собаки в стані спокою коливається від 2000 до 6000 мм рт. ст. в секунду, а під впливом адреналіну крутизна може досягти величини 15 000 мм рт. ст. в секунду. Швидкість зміни тиску і кровотоку, що визначається за ступенем нахилу кривої, набуває великого значення при оцінці функціональних властивостей міокарда шлуночків у здорових і хворих. Реєструючі системи повинні володіти для цього виключно високою частотою власних коливань, оптимальним демпфуванням і наявністю мінімальних артефактів. Ці результати можуть бути досягнуті при використанні мініатюрних датчиків тиску, які знаходяться безпосередньо на вершині катетера (всередині серця). Доступність і можливість використання їх будуть зростати в міру збільшення випуску і вдосконалення цих пристроїв.
Мініатюрні датчики тиску
Внутрішньосудинне тиск може бути зареєстровано через катетери під час катетеризації серця, що може бути зареєстровано та використано для безперервного спостереження. Артефакти, що виникають внаслідок наявності довгого стовпа рідини в катетері, бульбашок повітря в ньому, положення кінчика катетера, нерідко спотворюють криву і ускладнюють розшифровку. Сучасна техніка мініатюризації дозволяє виготовити дуже маленькі датчики для фізіологічних і клінічних досліджень. Ці датчики з вельми чутливими елементами, що включають малу мембрану на кінці зволікання або катетера, розроблені для хронічної імплантації у експериментальних тварин (собак або мавп) для тривалого спостереження за тиском під час їх вільного поведінки.
Маленькі датчики з зовнішнім розміром не більше, ніж діаметр катетера, вміщаються на його верхівці для точної реєстрації тиску всередині серця або великих судин (рис. 2.7). При цих умовах запис є досить точною, а хвилеподібні зміни тиску реєструються без перешкод, так як джерела їх усунені. Однак такі ультрамініатюрние прилади є поки дуже крихкими і, на жаль, ще малодоступними.
МАЛ. 2.8. ЦИКЛІЧНІ ЗМІНИ РОЗМІРІВ ЛІВОГО ШЛУНОЧКА ПРИ скорочень серця.
А. Під час діастоли все розміри зростають швидко на початку і більш поступово протягом наступної частини періоду наповнення. Скорочення передсердь викликає невелике додаткове збільшення обсягу. На початку систоли внутрішній діаметр (А), зовнішня окружність і довжина (Б) різко зростають, в той час як внутрішня довжина (В) під час цього інтервалу, названого періодом ізометричного скорочення (Г), коротшає. Таке збільшення зовнішнього кола викликано потовщенням товстих стінок шлуночка під час цього періоду, які, скорочуючись, вибухають, як і весь шлуночок, і приймають кулясту форму.
