Методи досліджень механічних проявів життєдіяльності

З усієї класифікації медико-біологічних вимірювань за належністю до відповідного розділу фізики такий клас, як механічні вимірювання, включає в себе:

v Антропологічні параметри тіла.

v Переміщення, швидкість та прискорення частин тіла, крові, повітря.

v Акустичні вимірювання.

v Тиск крові, біорідин в організмі.

v Вимірювання вібрацій та шумів та ін.

Якщо ж говорити про механічні прояви життєдіяльності організму, то до них відносять:

v Переміщення, швидкість, прискорення, зміна форми, об’єму, внутрішнього тиску.

v Акустичні явища, що супроводжують роботу серця, легень, кровоносної системи, кістково-м’язового апарату, шлункового тракту.

У відповідності з цими проявами виникли методи досліджень, наприклад:

v Механокардіографія.

v Сфігмографія.

v Плетизмографія.

v Спірографія та ін.

Механокардіографія (МКГ)

МКГ - це сукупність методів механічної реєстрації роботи серця. Кардіограма – запис (аналоговий або цифровий) роботи серця незалежно від методу знімання інформації і від того, отримана вона на відкритому серці або непрямим шляхом.

Енергетичною основою МКГ є робота і потужність серця. Для енергетичної оцінки вважатимемо, що механічна робота , здійснювана серцем, витрачається на подолання сил тиску і надання кінетичної енергії крові, причому:

, (1.25)

де і - робота, що здійснюється лівим і правим шлуночком відповідно. З дослідів відомо, що:

, тоді , (1.26)

Визначимо роботу, яку здійснюється при одноразовому скороченні лівого шлуночка.

Позначимо - ударний об’єм крові у вигляді циліндру, який серце пересуває по аорті з поперечним перерізом на відстань при середньому тискові . Здійснювана при цьому робота:

. (1.27)

На надання кінетичної енергії крові витрачається робота:

, (1.28)

де - густина крові, - швидкість крові в аорті. Тоді робота лівого шлуночка при скороченні серця:

. (1.29)

А всього серця при одноразовому скороченні:

. (1.30)

Формула (1.30) справедлива як для стану спокою, так і для активного стану організму, які відрізняються різною швидкістю кровотоку.

Розрахуємо роботу одноразового скорочення серця людини в стані спокою при наступних середніх значеннях параметрів:

Отримаємо наступне значення:

.

Вважатимемо, що в середньому серце здійснює одне скорочення в секунду, тоді робота серця за добу складатиме:

.

При активній м’язовій діяльності робота серця може зростати у декілька разів. Якщо врахувати, що тривалість систоли (скорочення шлуночків і передсердь під час серцевого циклу) близько , то середня потужність серця за час одного скорочення приблизно . Отримана енергетична оцінка говорить про те, що діяльність серця може бути досліджена із застосуванням простих механічних датчиків та перетворювачів.

Вперше кардіограма була записана у 1863 році французьким фізіологом Мареєм. Ним же був сконструйований кардіограф відкритого типу. Він являє собою капсулу із гладкими краями, яку накладають на грудь пацієнту в місці серцевого поштовху. Зміна тиску всередині капсули, створювана рухом грудної стінки в місці серцевого поштовху, передається пневмосистемою до реєструючого пристрою.

Рис. 1.17.

Пізніше були розроблені кардіографи закритого типу. Пневматичний датчик такого кардіографа (рис. 1.17) являє собою циліндричну капсулу, нижня частина якої затягнута резиновою мембраною із коловим виступом у центрі, який передає на капсулу рух серця. Завдяки простоті пристрою механічні кардіографи закритого типу отримали розповсюдження в період, який передував розвитку електрокардіографічній техніці. В наш час механічні дослідження серцевої діяльності знайшли своє застосування в методах апекскардіографії та балістокардіографії.

Апекскардіографія (АКГ)

АКГ – методика реєстрації верхівкового поштовху серця, що і є саме механічною кардіографією. Для запису АКГ пристрій знімання інформації закріпляють на грудній клітці безпосередньо над місцем виразної пульсації верхівкового поштовху. АКГ являє собою періодичну криву (рис. 1.18), яка складається з однієї великої позитивної хвилі, що займає початкову частину кожного циклу серцевого скорочення. Кожен характерний екстремум графічного запису МКГ прийнято позначати буквами латинського алфавіту, що відображено на кривій АКГ.

Рис. 1.18.

Однак, не всі елементи АКГ знаходять відображення в реальних записах. Це пов’язано з тим, що поштовх по різному проектується на грудну стінку, а саме, коли поштовх спрямований в ребро, а не в міжреберье, тим самим незадовільно діючи на самий пристрій знімання. В результаті АКГ у різних осіб, а також в однієї і тієї самої, в різні моменти часу можуть суттєво відрізнятися за формою. Такий поліморфізм АКГ може бути пов’язаний із різною силою притискування датчика до грудної клітки, варіаціями її форми, різною товщиною підшкіряного шару.

Тому методика АКГ застосовується в основному для оцінки фаз серцевого циклу за часовими інтервалами між характерними точками АКГ шляхом співставлення із відповідними елементами ЕКГ і фонокардіограми (ФКГ).

Балістокардіографія (БКГ)

Рис. 1.19.

Рис. 1.20.

БКГ – метод графічної реєстрації реактивних механічних рухів тіла людини, обумовлених скороченням серця та переміщенням крові у великих артеріях. На кривій, що реєструється – балістокардіограмі – відображаються коливання тіла, викликані систолою серця, гідравлічним ударом крові о дугу аорти, та елементи легеневого ствола. Амплітуда хвиль БКГ в систолічній фазі пропорційна енергії серцевого викиду. Однак, механізм передачі рухів серця і крові у судинах по всьому тілу достатньо складний.

БКГ спирається на дві моделі механічних систем:

1. Тіло – нерухома основа. Реалізація цієї моделі називається прямим методом БКГ (рис. 1.19).

2. Тіло – рухома платформа – система підвіски – нерухома основа. Реалізація цієї моделі називається непрямим методом БКГ (рис. 1.20).

У наведених моделях виділяють дію наступних сил:

v Змушувальна сила – обумовлена серцевою діяльністю: , де - маса серця, - прискорення центра тяжіння серця.

v Сили реакції: - для першої моделі, - для другої моделі, де , - маси тіла пацієнта та рухомої платформи, , - прискорення тіла і платформи відповідно.

v Гальмівні (демпферні) сили, що перешкоджають руху тіла (сили тертя): , - для першої та другої моделей, де і - швидкості тіла пацієнта і платформи, відповідно.

v Сили еластичної віддачі (пружні сили), що спричинюють повертання системи в початкове положення: , - для першої і другої моделей, де і - переміщення тіла пацієнта і платформи відповідно.

Врахувавши всі основні сили, що діють, можна записати наступне рівняння руху у відповідності до моделей:

+ + . (1.31)

+ + . (1.32)

В залежності від перетворювальних властивостей датчика або способу обробки сигналу, можна зареєструвати інформацію, пропорційну швидкості, прискоренню або переміщенню дослідного об’єкта.

Вимірювальні системи, в яких не реєструють переміщення загального центра тяжіння тіла пацієнта, називаються сейсмічними. До сейсмічних систем відносять всі реалізації першої моделі.

При використанні другої механічної моделі «ідеальні» умови реєстрації будуть у випадку, коли зв’язок платформи з тілом пацієнта набагато більший, ніж зв’язок платформи з нерухомою основою. Тоді переміщення тіла разом із платформою повністю залежить від сил, наданих серцево-судинною системою, а рівняння руху для другої моделі набуде вигляду:

. (1.33)

В такому випадку руху тіла і платформи зводиться до переміщення їх загального центра тяжіння. Подібні БКГ системи називаються динамічними.

У випадку використання реальних систем підвісок розрізняють чотири типи БКГ систем:

v Ультра низькочастотна (аперіодична) – з вільною підвіскою.

v Низькочастотна – з м’якою підвіскою (пружини).

v Високочастотна – с жорсткою підвіскою (пружні стержні).

v Пряма – з жорсткістю підвіски настільки великої, що друга модель вироджується у першу.

Вважається також, що низькочастотна, високочастотна і пряма системи відносяться до сейсмічного типу вимірювальних систем.

У відповідності до законів механіки тіло, яке переміщається в просторі, має шість ступенів свободи. Тому для повної характеристики переміщень необхідно шість орієнтованих пристроїв знімання інформації.

Методами БКГ можуть бути досліджені й окремі частини тіла. Такий напрямок отримав назву локальної БКГ. Виділяють такі її варіанти:

v Сейсмокардіографія – реєстрація вібрацій грудної клітки.

v Кінетокардіографія – реєстрація коливань грудної стінки в діапазоні частот від 1 до 10 Гц.

v Динамокардіографія.

Рис. 1.21.

Динамокардіографія (ДКГ)

ДКГ – метод реєстрації переміщень центра тяжіння грудної клітки, які виникають внаслідок серцевої кінематики і руху крові у крупних судинах. Для реєстрації використовують прилад – динамокардіограф, який складається з приймального пристрою (пристрій знімання інформації) та реєструвально-підсилювального блока. Приймальний пристрій вмонтовано у спеціальний стіл, на який вкладають пацієнта (рис. 1.21). Динамічні зусилля, що діють збоку грудної клітини пацієнта на приймальний пристрій, за допомогою тензометрів перетворюються в електричні сигнали, які після підсилення записуються у вигляді кривої – динамокардіограми. З позицій механіки ДКГ є кривою, що характеризує зміну моменту вертикально спрямованих сил , а ДКГ – методикою, що здійснює мометно-силовий аналіз механічних процесів, які супроводжують серцеві скорочення. Запис моменту сил , спрямованого вздовж тіла пацієнта, називається повздовжньою, або стандартною ДКГ. Відповідно запис моменту сил, що діють у поперечному напрямку, називається поперечною ДКГ.

Рис. 1.22.

Рис. 1.23.

Типова ДКГ – періодична крива, яка має сім характерних інтервалів із зубцями, позначеними літерами латинського алфавіту (рис. 1.22). При аналізі ДКГ визначають амплітуду коливань та тривалість інтервалів. Математична обробка ДКГ дозволяє оцінити швидкість (перша похідна за часом від кривої) та прискорення (друга похідна) процесів, що реєструються.

Суттєвим для оцінки стану функціонального с тану міокарду (м’язовий середній шар серця, складає основну частину його маси – рис. 1.23) є часовий аналіз інтервалів ДКГ. Така оцінка виконується шляхом співставлення тривалості того чи іншого інтервалу ДКГ пацієнта з нормованим значенням, наприклад (рис. 1.22):

v ,

v ,

v ,

де - тривалість серцевого циклу в секундах.

На практиці також використовують внутрисистолічний показник ДКГ (ВСПД), виражений у відсотках: ВСПД , значення і беруть з ДКГ. Норма ВСПД для здорової людини складає 75% і залишається практично незмінною при фізіологічних коливаннх серцевого ритму.

Діагностичні можливості ДКГ розширюються використанням вектор-кардіограми, отриманої з сигналів повздовжньої і поперечної ДКГ. При цьому на реєструючому пристрої формується траєкторія переміщення центра тяжіння грудної клітки.

ДКГ також використовується для запису та дослідження дихальних рухів.

Сфігмографія (СФГ)

СФГ – (sphygmos – грец. пульс) – графічна реєстрація пульсових коливань стінки кровоносної судини. При механічній СФГ пульсацію знімають з поверхні шкіри над судиною, що досліджується, за допомогою датчиків, які накладаються на область пульсації. В якості датчиків застосовують:

v пневматичні,

v п’єзоелектричні,

v ємнісні,

v індуктивні,

v тензометричні.

Рис. 1.25.

Рис. 1.24.

СФГ використовується як самостійний метод дослідження для оцінки стану системи кровообігу та діагностування деяких захворювань (порок серця). Вона також застосовується як складова інших методик в якості одного з каналів полікардіографії.

На практиці широко застосовується артеріальна СФГ. Відображає коливання стінок ділянки артерії в результаті зміни тиску у судині. Характерні елементи нормальної СФГ сонної артерії показано на рис. 1.25, де:

v а – передсердна хвиля,

v i – преданакротичний зубець,

v b-c – анакрота (підйом основної хвилі),

v c-f – катакрота (спадаюча частина основної хвилі) (ката + грец. krotos удар),

v d – пізня систолічна хвиля,

v e-f-g – інцізура (від лат. incisura — виїмка, надріз),

v g – дикротична хвиля.

Аналіз СФГ артерій в основному складається з:

v визначення частоти пульсу,

v оцінки форми кривої,

v амплітудних та часових співвідношень окремих компонент.

Синхронно записані СФГ центрального та периферичного пульсів використовують для визначення швидкості розповсюдження пульсової хвилі по артеріях:

, (1.34)

де - відстань між точками знімання інформації, - часовий зсув однотипних фрагментів запису. Швидкість розповсюдження пульсової хвилі залежить від модуля пружності артеріальної стінки, змінюється з віком від 4 м/с (для дітей) до 10 м/с (в літніх людей понад 65 років) і є діагностичною ознакою артеріосклерозу.

Флебосфігмографія, або венна пульсографія, за малої пружності стінок судин вен в більшому ступені відображає коливання кровонаповнення судин, ніж тиск крові в них. Тому механічні перетворювачі в цьому виді СФГ практично не використовуються. В цьому методі вимірюють такі величини, як електричний опір, діелектрична проникність, оптична густина. Флебосфігмограми зазвичай записують з яремної або стегенної вен.

Механічна плетизмографія (МПГ)

Рис. 1.26.

Плетизмографія (грец. plethysmos – наповнення, збільшення + graphō - писати, зображувати) – реєстрація змін об’ємів тіла або його частин. МПГ базується на властивості рідин і газів, які заповнюють герметичну посудину (плетизмографічний рецептор), передавати коливання об’єму досліджуваного об’єкту, розміщеного в ньому, датчику вимірювального пристрою (рис. 1.26).

Для прихильників серіалу «Доктор Хаус» - за цією посилкою є довідник серіалу, і саме цікава інформація стосовно плетизмографів: http://house-manual.ru/tests/10.

Як правило, МПГ передбачає таку послідовність перетворювань інформації:

v зміна об’єму - ,

v зміна тиску - ,

v зміна електричного сигналу.

На плетизмограмі виділяють три основні види коливань (хвиль) об’єму:

v Хвилі першого порядку (або об’ємний пульс) – відображають коливання кровонаповнення під час серцевого циклу. За формою ці хвилі схожі зі сфігмограмою артерій.

v Хвилі другого порядку – мають період дихальних хвиль. Реєструються не постійно, при спокійному диханні їх амплітуда зазвичай менше амплітуди об’ємного пульса.

v Хвилі третього порядку – позначають всі реєстровані коливання кровонаповнення з періодом, більшим, ніж період дихальних хвиль. Частіше ці хвилі мають аперіодичний характер, який відображає психологічний стан обстежуваного.

Напрямки використання МПГ:

1.

Рис. 1.27.

Визначення тонуса кровоносних судин. Дослідження засноване на оцінці модуля об’ємної пружності , де - зміна тиску у кровоносних судинах, - зміна їх об’єму. Оцінка артеріального тонуса виконується з співвідношення , де - пульсовий тиск в артерії (визначається за СФГ), - амплітуда об’ємного пульсу (визначається зі МПГ). Оцінка тонуса вен виконується шляхом розрахунку відношення зростання тиску у судинах до зростання їх об’єму під час оклюзії (перетискування) – рис. 1.27.

2. Вимірювання об’ємної швидкості кровообігу . Цей метод заснований на припущенні, що на початку оклюзії всі вени перетискуються повністю і заповнення їх кров’ю відбувається при практично незмінному перепаді тиску в артеріях і венах.

3. Плетизмографія всього тіла (ПВТ) – здійснюється за допомогою спеціальної герметичної камери, в яку розміщують обстежуваного (рис. 1.26). Плетизмографи для ПВТ – системи з постійним об’ємом і, відповідно, змінним тиском, зміна якого відповідає зміні кількості повітря в камері або об’єму тіла обстежуваного. Вивчення функцій зовнішнього дихання засновано на взаємозв’язку між тиском в камері і об’ємами повітря, що людина вдихає та видихає, що дозволяє визначити характерні легеневі параметри. Визначення хвилинного об’єму кровообігу засновано на зниженні парціального тиску азоту в камері МПГ при його розчиненні в крові за одну хвилину.

4. Оцінка нервової діяльності. При цьому використовують зв’язок різних судинних реакцій із законами вищої нервової діяльності, що відображується на формі хвиль третього порядку. Останні показують також наявність і характер реакцій на різні подразники (звук, світло, біль).

Дата добавления: 2014-11-20