Датчики параметров сердечно-сосудистой системы

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Преобразователь - это часть прибора, которая способна «чувствовать» или воспринимать измеряемый физиологический показатель. В преобразователе измеряемая информация преобразуется в электрический сигнал, который изменяется точно так же, как и измеряемый показатель. Если, например, измеряется артериальное давление, то создаваемое преобразователем напряжение увеличивается при возрастании давления и уменьшается при снижении, причем изменение напряжения точно повторяет изменение давления. Даже те физиологические показатели, которые имеют по существу электрическую природу, такие как ЭКГ и электроэнцефалограмма, требуют при измерении использования преобразователей, называемых электродами, которые преобразуют ионное напряжение в электрический сигнал.

Так как преобразователь в большинстве случаев должен быть прикреплен к телу пациента или даже введен в некоторый орган, то его часто выделяют из прибора. Крепление преобразователя к телу часто определяет возможность правильного функционирования прибора.

Таким образом информация преобразуется в преобразователе в электрический сигнал, следовательно, для понимания принципов работы и использования медицинской аппаратуры необходимо знать основы электротехники.

АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

В большинстве приборов электрический сигнал, поступающий от преобразователя, должен пройти обработку, прежде чем он примет форму, удобную для дальнейшего его использования в устройстве отображения. Такая модификация или обработка сигнала выполняется в специальных блоках прибора - блоках обработки сигналов.

Электрический сигнал, получаемый от большинства преобразователей, мал, поэтому его следует усилить. Усиление осуществляется с помощью электронных приборов, т. е. приборов, в которых осуществляется управление электронными потоками. Блок обработки сигналов в приборе может состоять только из одного простого усилителя, а может включать и много устройств, которые модифицируют или обрабатывают сигнал различными способами. Обычно блоки обработки сигналов встраивают в основной корпус прибора или в стойку системы. В большинстве случаев ручки органов управления прибором находятся на передней панели, что позволяет оператору настраивать или отлаживать определенные характеристики прибора.

ДИСПЛЕИ (устройства отображения информации)

Если результаты измерений имеют важное значение, то они должны быть представлены в такой форме, чтобы человек мог воспринимать их. Та часть прибора, которая преобразует модифицированный электрический сигнал, появляющийся на выходе блоков обработки сигнала, в форму, удобную для восприятия, называется дисплеем или устройством считывания результатов. Дисплей может иметь вид какой-либо индикаторной лампы, стрелочного прибора, зуммера сигнала тревоги, устройства записи на бумажную ленту, экрана осциллографа (на основе электронно-лучевой трубки, аналогичной той, которая используются в телевизорах) и т. д.

Иногда в одном и том же приборе могут использоваться несколько различных дисплеев. Например, монитор состояния пациента может отображать ЭКГ на экране осциллографа, частоту сокращения сердца на стрелочном приборе и подавать сигнал о наступлении опасного состояния -с помощью зуммера.

СТИМУЛЯЦИЯ

В состав некоторых приборов входят средства для формирования, подачи к пациенту и управления сигналами стимуляции. При измерении, например, времени нервной проводимости необходима электрическая стимуляция (легкий удар током). Отклик на стимуляцию (мускульная реакция или активность другой части нервной системы) измеряется соответствующим преобразователем и результаты отображаются на экране осциллографа.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА

Рисунок 1. Структурная схема медицинского прибора

Функционирование прибора часто описывают с помощью структурной схемы. В такой схеме каждый квадрат или блок соответствует узлу прибора. Стрелки указывают направление передачи сигнала или информации между блоками. Структурная схема на рисунке демонстрирует основные компоненты медицинского прибора. Здесь стимулирующее воздействие приложено к телу пациента. Преобразователь (иногда их несколько) воспринимает измеряемый физиологический показатель и формирует электрический сигнал, который модифицируется в блоке обработки сигнала. Модифицированный сигнал преобразуется с помощью дисплея в воспринимаемую информацию. В тех случаях, когда для получения необходимого набора измерений используется более одного прибора, формируется система приборов. Она может включать в свой состав несколько преобразователей, набор блоков и устройств обработки сигналов и различные устройства отображения. Часто информация от нескольких преобразователей записывается на соседних дорожках одного и того же самописца или отображается на одном экране осциллографа. Измеренные данные от каждого преобразователя образуют канал информации. Система приборов может также включать в свой состав аппаратуру (например, магнитофон) для регистрации информации, поступающей по нескольким каналам, которая позволяет в дальнейшем при необходимости воспроизвести ее.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА

ДИАПАЗОН

Диапазон прибора - полный набор значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования. Для прибора, измеряющего физиологические показатели, диапазон простирается от наименьшего значения показателя, которое прибор способен точно измерить, до наибольшего. Например, для монитора ритма сердца диапазон от 0 до 250 ударов в минуту. При этом можно ожидать, что такой прибор будет правильно измерять и указывать любое значение ритма сердца между этими двумя пределами.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Существует два толкования термина чувствительность, которые используются для описания медицинских приборов. Прежде всего, это способность прибора измерять и обнаруживать малые изменения измеряемых показателей. Более чувствительный прибор способен обнаруживать и отображать меньшие изменения показателя, чем менее чувствительный. Чувствительность прибора частично зависит от разрешения дисплея. Разрешение - это способность индицировать наименьшие изменения, которые могут быть считаны с дисплея. Например, если в качестве дисплея используется стрелочный прибор, то прибор, имеющий большую шкалу с хорошо различимыми рисками между цифрами, позволяет производить отсчеты значительно точнее, чем прибор с небольшим стрелочным индикатором, и следовательно, имеет более высокое разрешение.

Другое определение чувствительности связывает значение измеряемого физиологического показателя с размерами бумажной ленты самописца или с высотой регистрируемой кривой на. экране осциллографа. Дисплей монитора, например, может иметь чувствительность 1 мВ напряжения на каждый сантиметр высоты кривой ЭКГ на экране. Зная чувствительность, легко определить, что кривая, имеющая на экране высоту зубца R 3 см, отображает ЭКГ, в которой максимальная высота зубца R 3 мВ. Часто предусматривается регулировка чувствительности (с соответствующим обозначением на ручке «Чувствительность»), позволяющая подстраивать чувствительность прибора.

ТОЧНОСТЬ

Точность прибора - это его способность точно указывать истинное значение измеряемого показателя. Точность означает также отсутствие ошибок, хотя она иногда выражается через максимальную ошибку, которую может допустить прибор. Ошибка (погрешность) определяется отклонением значения, указываемого прибором, от истинного значения измеряемого показателя. Точность не надо смешивать с разрешением. Возможность считывать с цифрового дисплея отсчеты с четырьмя цифрами еще не гарантирует, что точность прибора будет высока.

Рис.2 ЭКГ со стандартным калибровочным импульсом

ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ

Калибровкой называется процедура, с помощью которой прибор настраивают так, чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным измеряемым значениям. Иногда калибровка выполняется с помощью измерения величин, истинные значения которых известны точно, и соответствующей регулировки прибора. Приборы другого типа калибруют, сравнивая показания прибора с показаниями другого вочным импульсом прибора, который служит образцом, эталоном или стандартом. Калибровка одних приборов производится легко, а для калибровки других необходимо выполнить, трудные и длительные процедуры. Соответствующая калибровка прибора значительно повышает его точность. На рисунке 2 показана ЭКГ с калибровочным стандартным прямоугольным импульсом амплитудой 1 мВ. Напряжение в любой точке можно - точно определить, сравнив его с напряжением калибровочного импульса. Однако для этого прибор должен быть отрегулирован так, чтобы вершина калибровочного импульса с амплитудой 1 мВ на графике соответствовала определенному уровню.

СТАБИЛЬНОСТЬ

Однажды откалиброванный прибор будет сохранять точность лишь такой период времени, в течение которого не происходит отклонений от условий калибровки. Постепенное ухудшение точности после калибровки называется дрейфом прибора. Стабильность прибора - это его способность сохранять точность в течение заданного времени после калибровки. Стабильный инструмент редко требует повторной калибровки, а прибор с плохой стабильностью необходимо калибровать часто.

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН

Одни физиологические показатели изменяют свои значения быстро, а другие медленно. Многие показатели, такие как ЭКГ, отражают и быстрые, и медленные изменения. Поэтому медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Сложный колебателный процесс можно охарактеризовать диапазоном или полосой частот. Частота выражается в циклах в секунду или герцах (Гц). Полоса частот, в котором прибор способен отслеживать изменения измеряемойвеличины, составляет его частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя.

ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ)

Сигнал, поступающий от преобразователя - изменения напряжения, соответствующие измеряемой -информации. Однако наряду с сигналом в этом напряжении часто присутствуют и другие изменения. Эти нежелательные изменения, обычно называемые шумом, интерференцией, помехами или артефактами, также участвуют в формировании результирующего сигнала, появляющегося на дисплее.

Артефакт представляет собой любое искусственное изменение измеряемого показателя, такое, например, которое возникает на ЭКГ при движении пациента. Если в качестве дисплея используется экран монитора, то помехи могут проявиться в виде высокочастотных изменений, наложенных на кривую, что придает изображению «пушистый» вид. В стрелочных приборах или в некоторых других типах дисплеев интерференция может привести к ошибочным измерениям.

Могут существовать различные источники шумов и интерференции. При измерении ЭКГ, электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или других биоэлектрических потенциалов тело пациента может действовать в качестве антенны и улавливать энергию с частотой 50 Гц от электроламп, электропроводки или от другого электрооборудования. Эта энергия с частотой 50 Гц может также улавливаться длинными входными кабелями прибора.

Шумы могут появляться из-за воздействия линий питания аппаратуры или генерироваться внутри самой аппаратуры. Преобразователь наряду с измеряемым показателем может улавливать и другие нежелательные при данном измерении показатели. Если, например, электрод ЭКГ размещен над мышцей, то активация этой мышцы может вызвать наложение нежелательного сигнала электромиограммы (ЭМГ) на ЭКГ.

В некоторых приборах предусмотрены специальные меры для устранения или ослабления воздействия определенных видов шумов или интерференции. Во многих случаях хорошее знание прибора позволяет оператору принять определенные меры для уменьшения интерференции.

УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ

При измерении физиологических показателей часто бывает необходимо ввести или подсоединить преобразователь к такой точке организма, где эти показатели можно измерить. Многие физиологические показатели можно измерять, размещая преобразователь вне тела или на поверхности кожи. Измерения такого типа называют неинвазивными (невторгающимися). Некоторые измерения требуют инвазивных (вторгающихся) методов - преобразователь или катетер размещают внутри тела. Например, при прямом измерении артериального давления катетер с преобразователем следует ввести внутрь артерии. Введение преобразователя в тело обычно связано с определенным риском для пациента, поэтому этот метод рассматривают как дискомфортный. Следовательно, если это возможно, предпочтительнее проводить измерения с помощью неинвазивных методов. Если, однако, неинвазивные методы применить нельзя, нужно использовать инвазивные.

Прибор, предназначенный для выполнения исследований с введением преобразователя внутрь тела, должен удовлетворять определенным требованиям. Он должен выдерживать стерилизацию, по возможности минимизировать травмы и дискомфорт пациента. При введении в сердечно-сосудистую систему та часть прибора, которая вводится в поток крови, должна быть нетромбогенной (не способствовать образованию сгустков или тромбов) и непирогенной (не выделять тепло).

Можно отметить, что развитие техники и технологии сделало возможным замену некоторых старых инвазивных клинических методов новыми неивазивными, которые позволяют получить аналогичную информацию. Например, эхокардиографию, при которой для получения функциональной информации о сердце используется ультразвуковая энергия, в настоящее время часто применяют вместо некоторых клинических диагностических методов, которые требовали катетеризации.

Даже использование неинвазивных приборов может создать определенный дискомфорт для пациента. Например, долговременное наложение ЭКГ электродов может вызвать раздражение кожи. Степень дискомфорта в значительной мере зависит от длительности процедуры. Поэтому лечащий персонал должен быть подготовлен быстро выполнять дискомфортные процедуры.

Здесь следует упомянуть и другую опасность для пациента, возникшую при использовании медицинской аппаратуры. Когда для обследования или лечения пациента используется аппаратура, получающая питание от силовых электрических линий, существует опасность поражения пациента электрическим током. Она значительно возрастает в тех случаях, когда пациент подсоединяется к прибору (например, электрокардиографу или монитору ЭКГ) или когда возникают электропроводящие пути между внешними и внутренними участками тела (особенно пути, ведущие к сердцу).

МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Все медицинские параметры, подлежащие измерению и регистрации, можно разделить на две группы: измеряемые непосредственно; измеряемые опосредованно.

К первой группе относятся, например, движения, связанные с сердечными сокращениями, температура тела, биоэлектрические потенциалы. Съем этих величин осуществляется с помощью соответствующих устройств, которые непосредственно воспринимают от исследуемого организма изменения тех или иных параметров: механического перемещения, температуры, электрического потенциала.

Ко второй группе параметров относятся такие, которые сами по себе не могут быть измерены, либо проведение подобных замеров затруднено, но изменения которых приводят к изменениям других показателей, более удобных для измерения. Иными словами, интересующие врача те или иные стороны жизнедеятельности организма оцениваются косвенным путем измерения некоторых вспомогательных величин. Так, например, электрическое сопротивление некоторого участка тела может интересовать врача как определенная характеристика кровенаполнения этого участка; изменения степени поглощения света тканями могут быть связаны с изменениями объема органа или части тела. Очевидно, что для параметров, измеряемых опосредованно, требуется обратить особое внимание на установление первоначальных зависимостей между параметрами, интересующими врача, и фактически измеряемыми косвенными показателями.

Устройства съема медицинской информации обеспечивают получение сигналов, связанных с теми или иными явлениями, происходящими в живом организме. Устройства съема - переходное звено между исследуемым организмом и последующими устройствами усиления сигналов, их отображения, регистрации, передачи по каналу связи, обработки и т.д. В дальнейшем будут рассматриваться устройства съема, выходным сигналом которых является электрический сигнал.

Независимо от особенностей конкретных технических реализаций к устройствам съема можно предъявить ряд общих требований. Они должны обеспечивать:

· получение устойчивого информативного сигнала;

· минимальное искажение полезного сигнала;

· максимальную помехозащищенность;

· удобство размещения в необходимом для измерения месте;

· отсутствие побочного - раздражающего или другого действия на организм;

· возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования.

Всю совокупность различных устройств съема медицинской информации целесообразно подразделить на две большие группы (рис. 3): электроды и датчики (преобразователи).

Рисунок 3. Классификация устройств съема медицинской информации.

Электроды - это проводники специальной формы, с помощью которых часть электрической цепи, составленная из проводов, соединяется с другой частью этой цепи неметаллического типа проводимости (например, с той или иной частью тела, органом, поверхностью кожи и т. д). Электроды чаще всего используются для съема электрического сигнала реально существующего в исследуемом организме. Они просто выполняют роль контакта в электрической цепи, осуществляя отведение электрического сигнала с той или иной степенью потерь, зависящей от качества контакта между электродом и той частью организма, с которой он соприкасается.

Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов Δφ(t) называется электрограммой.

В зависимости от вида тканей (или органов), биоэлектрическая активность которых исследуется, различают:

электрокардиографию (ЭКГ) - исследование электрической активности сердца;
электроэнцефалографию (ЭЭГ) - исследование биоэлектрической активности мозга,
электромиографию (ЭМГ) - анализ электрической активности мышц,

Регистрация ЭМГ осуществляется с использованием:

o введённых в мышцу игольчатых электродов, при этом улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном.

o накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого.

o стимуляционной электромиографии - при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву.

электроокулографию (ЭОГ) - исследование изменений потенциала, обусловленного движением глазного яблока;
электрогастрографию (ЭГГ) - анализ вариации электрических сигналов, вызванных моторной деятельностью желудка.

Это наименование объединяет группу электрофизиологических методов, основанные на взаимосвязи электрической и сократительной активности ЖКТ. Они включают в себя либо регистрацию биопотенциалов с фиксированных на стенках органов электродов, так называемая прямая электрогастроэнтерография, либо регистрацию биопотенцилов с накожных электродов, закреплённых на животе или конечностях – непрямая или периферическая электрогастроэнтерография. Периферическая электрогастроэнтерография, будучи неинвазивной, т.е. не требуя никакого вторжения в организм человека, хорошо переносится всеми больными.

В принципе указанный перечень методов исследования биоэлектрической активности тех или иных органов может быть расширен.

В электрографии существуют две фундаментальные задачи:

1) прямая задача – расчет распределения электрического потенциала на заданной поверхности тела по заданным характеристикам эквивалентного генератора

2) обратная задача – определение характеристик эквивалентного генератора (изучаемого органа) по измеренным потенциалам на поверхности тела.

В некоторых случаях электроды могут использоваться не для съема электрических потенциалов, реально имеющихся в живом организме, а для подведения к организму некоторого внешнего электрического воздействия.

Такая ситуация имеет место, например, в электроплетизмографии (реографии), с помощью которой исследуются колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде. Переменное напряжение достаточно высокой частоты (30-250 кГц) прикладывается с помощью электродов к исследуемому участку тела. Измеряя вариацию полного электрического сопротивления (импеданс) тканей, включающего активную и реактивную компоненту, можно судить о характере изменения кровенаполнения тканей.

К электродам, как элементам съема медико-биологической информации, обычно предъявляются специфические требования:

они должны быстро фиксироваться и сниматься,
обладать низкой стоимостью,
высокой стабильностью электрических параметров,
эластичностью при достаточной механической прочности,
не давать артефактов и помех,
не оказывать раздражающего действия.

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рис. 4. Химические реакции между металлом и электролитом: а-потенциал полуэлемента для серебряного электрода; б - потенциал полуэлемента для медного электрода; в - результирующее напряжение между контактами.

Простейшие электроды, используемые для измерения биопотенциалов, представляют собой кусочки металла, которые можно размещать на поверхности или внутри тела; при этом жидкости, входящие в состав организма, можно рассматривать как электролиты. В результате электрохимической реакции между металлом и раствором возникает разность потенциалов (напряжение). Химические реакции, которые протекают между металлами и электролитами, влияют на функционирование физиологических электродов. Эти же реакции обусловливают и функционирование обычной батареи или гальванического элемента. Следовательно, химические принципы работы простого гальванического элемента (рис. 4), можно использовать для объяснения основ теории электродов.

На рис. 4а показан серебряный электрод, погруженный в соляной раствор, являющийся электролитом. Так как серебро является хорошим проводником электричества, то оно имеет избыток слабо удерживаемых или относительно свободных валентных электронов. При погружении серебра в электролит некоторые из его валентных электронов переходят в раствор; это приводит к тому, что бывший ранее электрически нейтральным электрод становится заряженным положительно по отношению к электролиту. Возникающая разность потенциалов называется потенциалом полуэлемента; это один из двух потенциалов, ассоциирующихся с гальваническим элементом или батареей. Для погруженного в электролит серебра напряжение полуэлемента составляет примерно 0,8В, при этом электрод положителен по отношению к электролиту. При погружении в электролит медного электрода (рис. 4б) некоторые из его валентных электронов также переходят в раствор, это приводит к тому, что медный электрод становится положительно заряженным по отношению к электролиту. Значение этого потенциала полуэлемента составляет приблизительно 0,3В, при этом медный электрод также является положительным по отношению к электролиту. На рис. 4в показаны оба металла, погруженные в электролит. Так как потенциалы полуэлементов для серебра и меди равны соответственно 0,8 и 0,3В и оба электрода положительны по отношению к электролиту, то разность потенциалов между электродами 0,5В (+0,8В - (+0,3В)=0,5В). Серебряный электрод положителен по отношению к медному электроду. Таким образом, при погружении в один и тот же электролит двух разнородных металлов между их контактами появляется постоянное напряжение. Такие металлы можно использовать для создания батареи. Из предыдущего объяснения должно быть ясно, что два одинаковых металлических образца, погруженные в один и тот же электролит, не должны создавать разности потенциалов.

Рис. 5. Электродный потенциал смещения: а-серебряные электроды, размещенные на поверхности кожи; б-напряжение смещения поступает на вход усилителя.

На рис. 5 показано поперечное сечение двух серебряных пластинок, используемых в качестве электродов для снятия биопотенциалов и контактирующих с поверхностью кожи, которая действует как электролит. Если эти пластинки химически идентичны, то каждая из них порождает один и тот же потенциал полуэлемента и результирующее напряжение между электродами будет равно нулю.

Разность потенциалов между контактами физиологических электродов, контактирующих с телом пациента, называется напряжением смещения электродов. Если электроды, показанные на рис. 5а, химически идентичны (идеальное предположение), то напряжение смещения будет равно нулю. На практике даже специально подобранные (согласованные) электроды имеют некоторые химические различия. Поэтому между контактами используемых физиологических электродов обычно существует некоторое напряжение смещения. При подключении электродов с помощью проводников ко входу усилителя (рис. 5б) последний будет реагировать на постоянное напряжение смещения точно так же, как и на физиологические сигналы, поступающие от организма.

Значения и полярности потенциалов полуэлемента для электродов определяются в большой степени применяемыми материалами. Как показано на рис. 5а, серебряный электрод в контакте с электролитом создает потенциал полуэлемента +0,8В, что приблизительно в 800 раз больше значений ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела. Даже при использовании очень хорошо согласованных электродов возникающее на них постоянное напряжение смещения может все-таки значительно превышать значение измеряемого физиологического показателя. Большое напряжение смещения может помешать проведению измерений или повлиять на их результат и привести к получению нежелательных артефактов.

Эксперименты показали, что происходящие в электродах химические явления могут явиться причиной возникновения флуктуации напряжения (шумов) при отсутствии каиих-либо физиологических сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как артефакты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соответствующий материал электродов или (в некоторых случаях) специально их обработав. Было установлено, что электрод серебро-хлорид серебра (Ag-AgCl) является наиболее стабильным и его электродный потенциал мал. Электрод такого типа изготовляется путем химического покрытия куска почти чистого серебра солью - хлоридом серебра. Обычно покрытие производят, погружая очищенный кусок серебра в раствор хлористого натрия. В этот раствор погружают и второй кусок серебра; оба куска подсоединяют к источнику постоянного напряжения таким образом, чтобы электрод, который покрывается хлоридом серебра, был положителен по отношению к другому. При этом ионы серебра соединяются с ионами хлора из соляного раствора и образуют тонкую пленку нейтральных молекул хлорида серебра, которая покрывает серебряный электрод. При очистке такого электрода после использования необходимо проявлять осторожность, чтобы не повредить покрытие из хлорида серебра. Эти электроды можно очищать мягкой хлопчатобумажной тряпочкой, смоченной изопропиловым спиртом или тепловатой водой.

При накладывании электрода на поверхность кожи на переходе электрод-кожа существует определенное электрическое сопротивление. Для надежной записи физиологических сигналов, свободной от артефактов, необходимо, чтобы электрод имел хороший (с малым сопротивлением) контакт с кожей. Так как верхний слой кожи в значительной мере состоит из мертвых клеток и на нем всегда присутствует некоторое количество жиров и грязи, то естественное электрическое сопротивление кожи высоко по сравнению с сопротивлением жидкостей в организме. Поэтому при размещении электродов на поверхности кожи то место, на которое будет наложен электрод, обычно подготавливают или обрабатывают, чтобы понизить сопротивление. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения электрода спиртом или какими-либо другими подходящими очищающими агентами. Затем между электродом и поверхностью кожи наносят проводящую (электролитическую) пасту. Эта паста образует как бы мост между ионами тела и поверхностью электрода и обеспечивает низкое сопротивление перехода электрод- кожа. Некоторые пасты содержат в электролите очень маленькие абразивные частицы. Эти пасты можно применять и для подготовки места наложения электрода, и для снижения контактного сопротивления.

Размер и тип используемого электрода также играют важную роль при определении его сопротивления. Более крупные электроды обычно имеют меньшее сопротивление. Поверхностные электроды имеют сопротивление 2000...10000 Ом, а маленькие игольчатые - значительно более высокое.

ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СНЯТИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ

Электроды, применяемые для снятия биоэлектрических потенциалов тела, могут иметь самые различные формы и размеры. Для снятия потенциалов ЭКГ, ЭЭГ или ЭМГ можно использовать любые электроды. Однако более крупные обычно применяют для снятия ЭКГ, так как при этом не так важна локализация измерений. При снятии ЭЭГ и ЭМГ, а также при наблюдении за плодом применяют меньшие электроды.

На ранней стадии измерений биоэлектрических потенциалов использовались погружаемые (иммерсионные) электроды, которые представляли собой просто бадьи с солевым раствором, в которые пациент погружал руки и ноги. Как и следовало ожидать, использование электродов такого типа было связано с многочисленными трудностями, например неудобное фиксированное положение пациента и опасность разлить электролит.

По сравнению с погружаемыми электродами введенные в практику примерно в 1917 г. пластинчатые электроды (рис. 6) были значительным шагом вперед. Сначала эти электроды отделялись от кожи пациента хлопчатобумажной или фетровой прокладкой, пропитанной солевым раствором. Позднее такие пропитанные прокладки были заменены проводящими пастами, при этом металл контактировал с кожей. Пластинчатые электроды такого типа используются и сегодня, так же как и пропитанные солевым раствором марлевые прокладки.

Другим довольно старым типом электрода, который используется и в настоящее время, является электрод на присоске (рис. 6), в котором с кожей действительно контактирует только кольцевой край. Используются электроды на присосках двух размеров; диаметр чашечки приблизительно 30 мм для обследования взрослых пациентов, 15 мм для обследования детей. Обычно электроды на присосках используются для грудных отведений при снятии ЭКГ.

Одним из неудобств при использовании пластинчатых электродов является возможность их сползания или смещения. Эта проблема возникает и при использовании электрода на присоске после его достаточно длительной эксплуатации. Были найдены несколько методов преодоления этих затруднений, например использование липкой ленты для закрепления электродов, придание поверхности электрода формы терки, зубцы которой проникают в кожу, уменьшая контактное сопротивление и снижая вероятность соскальзывания электрода.

Рис. 6. Металлические пластинчатые электроды (они обычно изготовлялись или покрывались из серебра, никеля или аналогичных сплавов). Электрод на присоске.

Все описанные выше электроды имеют общий недостаток: они чувствительны к перемещению, одни в большей, другие в меньшей степени. Даже малейшее перемещение изменяет толщину тонкой пленки электролита между металлом и кожей, что приводит к изменению потенциала смещения и контактного сопротивления. Эти изменения проявляются как артефакты на записи ЭКГ или на экране монитора для наблюдения за пациентом; они являются источниками дрейфа нуля (опорной линии) или блужданий. Во многих случаях изменения потенциала настолько существенны, что они полностью блокируют биоэлектрические потенциалы, которые пытаются измерить с помощью электродов. Липкая лента и применение электродов в виде терки уменьшают эти артефакты, связанные с перемещением электродов, так как они ограничивают возможности смещения электродов и уменьшают переходное сопротивление, но ни одно из этих средств не может эффективно обеспечить нечувствительность измерений к движению.

Позднее некоторые изготовители предложили несколько моделей нового типа электрода - плавающего или электрода со столбом жидкости. В них артефакты, обусловленные перемещением электрода, практически полностью устраняются, так как здесь отсутствует прямой контакт между металлом и кожей. Единственным проводящим путем между металлом и кожей является слой пасты или желе, который образует электролитический мост. Даже если поверхность электрода образует прямой угол с поверхностью кожи, функционирование электрода не ухудшается, так как электролитический мост поддерживает контакт и с кожей, и с электродом. На рис. 7 показано поперечное сечение плавающего электрода и типичные образцы плавающих электродов. Можно заметить, что металлическая поверхность электродов находится в углублении и не может непосредственно контактировать с кожей.

Плавающие электроды обычно прикрепляются к коже с помощью двухстороннего клейкого хомутика (или кольца), который прилипает к пластиковой поверхности электрода и к коже.

Рис. 7. Схема плавающего поверх ностного электрода. Вид сверху, снизу и сбоку плавающих поверхностных электродов.

В последние несколько лет в практику вошли различные типы одноразовых электродов (однократного применения), которые устраняют необходимость очистки электродов после каждого использования и упрощают сам процесс исследований. Эти электроды, первоначально рассчитанные для наблюдения за ЭКГ пациента, можно также использовать и для снятия ЭЭГ и ЭМГ. В большинстве случаев одноразовые электроды являются плавающими с простым зажимом для подключения проводников (которые используются неоднократно). Некоторые одноразовые электроды уже при изготовлении смазываются пастой, что устраняет необходимость наносить пасту между электродом и подготовленной поверхностью кожи.

Недавно разработаны одноразовые электроды, при использовании которых не нужны проводящие пасты и подготовка кожи. Эти электроды содержат слой электролитической жидкости и тонкопленочную проницаемую мембрану, которая контактирует с кожей. При установке на поверхности кожи мембрана с микропорами пропускает электролит, увлажняя кожу; это устраняет необходимость подготовки участка кожи для установки электрода.

Усовершенствованные в последнее время одноразовые электроды можно использовать для непрерывного наблюдения за пациентами в течение длительного времени при небольшом дискомфорте для пациента. Гибкие пластиковые конструкции электродов и чашечек, мягкие пенопластовые липкие кольца позволяют таким электродам точно следовать всем контурам тела. Кроме того, пенопластовые кольца, наложенные на кожу, предотвращают проникновение воздуха к электроду и высыхание пасты. Поэтому низкое сопротивление кожи сохраняется в течение относительно длительного времени.

Все кожные электроды, используемые для непрерывного наблюдения, необходимо периодически перемещать на смежные участки кожи пациента, так как электролитическая среда и липкий состав могут вызвать сильное раздражение кожи. В некоторых специализированных отделениях электроды перемещают и заменяют (если они одноразовые) каждые 8 ч, в других отделениях не реже одного раза за 24 ч, в зависимости от чувствительности кожи пациента.

Для других применений разработаны специальные типы поверхностных электродов. Например, ушной клипсовый электрод был разработан для использования его в качестве опорного электрода при снятии ЭЭГ. Поверхностные электроды для снятия ЭЭГ обычно представляют собой небольшие диски диаметром около 7 мм или маленькие гранулы (шарики) припоя, которые закрепляются на обезжиренной коже головы с помощью электролитической пасты.

Чтобы уменьшить артефакты, связанные с движением, некоторые специалисты в области электроэнцефалографии используют при снятии ЭЭГ небольшие игольчатые электроды, которые вводятся под кожу на некоторое расстояние вперед, параллельно ей.

Более длинные иглы в некоторых случаях вводятся в мозг для того, чтобы получить локализованные измерения потенциалов в отдельных специфических участках мозга. Такие электроды должны располагаться чрезвычайно точно, чтобы можно было идентифицировать источник измеренного потенциала.

Одновременные измерения в участках, лежащих на различной глубине вдоль одной определенной оси мозга можно выполнить с помощью специальных электродов с большим числом измерительных окончаний на разной глубине. Электрод такого типа обычно состоит из пучка тонких проволочек, каждая из которых обрезана на различном уровне; существуют электроды, у которых на каждой проволочке на различном уровне создано по одному участку проводящей поверхности.

Некоторые игольчатые электроды состоят просто из тонких изолированных проволочек, расположенных так, что их концы, когда они оголены, контактируют с нервом, мышцей или другой тканью, на которой проводятся измерения. Остальная часть проволочек покрыта изоляцией, предотвращающей короткое замыкание. Проволочные электроды из меди или платины часто используются для снятия ЭМГ определенных мышц. Эти проволочки либо хирургически имплантируются, либо вводятся с помощью иглы для подкожных впрыскиваний, которая потом извлекается, оставляя электроды в нужном месте. В электродах такого типа взаимодействие между металлом и электролитом происходит как взаимодействие между неизолированным кончиком проволочки и электролитами организма, хотя в некоторых случаях перед введением в организм проволочка покрывается электролитической пастой.

В некоторых случаях игла для подкожных впрыскиваний является частью конструкции электрода и не извлекается. При этом проволочки, образующие электрод, размещаются внутри иглы, которая создает отверстие, необходимое для введения электрода, и защищает проволочки. Единственная проволочка внутри иглы выполняет роль униполярного электрода, который измеряет потенциалы в точке контакта по отношению к некоторому индифферентному или опорному потенциалу, получаемому при размещении электрода на некотором расстоянии от исследуемой мышцы. Две проволочки, размещенные внутри иглы, позволяют произвести очень точно локализированные измерения между двумя их концами, это измерение называется биполярным

ЭЛЕКТРОДЫ И ОТВЕДЕНИЯ

Рисунок 8. Запись ЭКГ в различных отведениях

Чтобы записать биопотенциалы, к телу пациента необходимо прикрепить несколько электродов. Их подключают к соответствующему аппарату (электро- кардио/энецефало/миографу) с помощью такого же числа проводов. Эти провода и электроды, к которым они подсоединены, обычно называют отведениями. Для записи ко входу регистрирующего усилителя (канал записи) подключают два электрода или один электрод и соединенные между собой несколько электродов. Нужно заметить, что и отдельные электроды, и группы специальным образом соединенных электродов рассматриваются как отведения. В дальнейшем термин отведение будет использоваться только для обозначения специальной группы электродов и способа, которым они связаны с усилителем. Для отдельных отводящих проводов, а также для физического подсоединения к телу пациента будет использован термин электрод.

ЭЛЕКТРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

Напряжение, возникающее при работе сердца, в действительности представляет собой векторную величину, у которой абсолютное значение и ориентация в пространстве изменяются во времени. Так как сигнал ЭКГ измеряется с помощью электродов, закрепленных на поверхности тела, то вид кривой этого сигнала очень сильно зависит от их размещения. На рис 8, а показана типичная запись сигнала ЭКГ. При определенном размещении электродов некоторые сегменты этой кривой могут практически исчезать, другие - четко выделяться. Поэтому при обычном электрокардиографическом исследовании производится запись ЭКГ от нескольких различных отведений, обычно от 12. Такой метод гарантирует, что при записи не будут опущены некоторые важные детали истинной ЭКГ. Места размещения электродов, а также названия и конфигурация отведений в настоящее время стандартизированы, их используют во всех странах мира.

Рис. 9. 12 стандартных типов отведений ЭКГ: V₁ – у правого края грудины в IV межреберье, V₂ –• у левого края грудины в IV межреберье, V₃ – между электродами V₂ и V₄, V₄ – по левой срединно-ключичной линии в V межреберье, V₅ – по передней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электрода V₄, V₆ – по средней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электродов V₄ и V₅.

Размещение электродов и цветовой код, используемый для обозначения каждого из них, показаны на рис. 9. В ходе экспериментов Эйнтховен установил, что наибольшие преимущества дает запись ЭКГ с помощью электродов, разнесенных по вертикальной и по горизонтальной осям тела. У первых электрокардиографов было три электрода, из которых только два использовались одновременно. При введении в практику электронных усилителей возникла необходимость применить дополнительный электрод, закрепленный на теле, в качестве опорной (заземленной) точки. Хотя этот электрод можно располагать почти в любой точке тела, общепринято размещать его на «свободной» правой ноге.

Грудной или предсердный электрод был введен позднее. Обычно в качестве электродов на конечностях используют пластинчатые, а в качестве грудного - электрод на присоске (рис. 6).

ОТВЕДЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

При нормальном размещении для записи ЭКГ используют четыре электрода; электрод на правой ноге используется только в качестве опорного. Так как вход электрокардиографа имеет только две клеммы, то из имеющихся активных электродов нужно выбрать два. На рис. 9 показаны 12 стандартных отведений, которые используются наиболее часто. Три биполярных отведения - от конечностей, впервые введенные Эйнтховеном:

Отведение I: левая рука (ЛР, LA) - правая рука (ПР, RA).

Отведение II: левая нога (ЛН, LL) - правая рука (ПР, RA).

Отведение III: левая нога (ЛН, LL) - левая рука (ЛР, LA).

Эти три отведения называются биполярными, так как при каждом отведении ЭКГ записывается с двух электродов, а третий электрод не подключается.

Другие отведения, показанные на рис. 9, являются униполярными. Этот тип отведений был впервые использован Вильсоном в 1944 г. При униполярных отведениях ЭКГ записывается между единственным исследовательским электродом и центральной точкой (центральным отводом), которая имеет потенциал, соответствующий центру тела. Центральный отвод образуется соединением трех активных электродов на конечностях через резисторы с одинаковыми сопротивлениями. Потенциал в точке соединения резисторов соответствует среднему значению потенциалов на этих трех электродах. При униполярных отведениях от конечностей один из электродов на конечностях применяется в качестве исследовательского, в то же время он вносит свой вклад в потенциал центрального отвода. Такое двойное использование приводит к тому, что сигнал ЭКГ имеет очень малую амплитуду. При увеличенных (усиленных) униполярных отведениях от конечностей электрод на конечности, используемый в качестве исследовательского, не подключается к центральному отводу; при этом амплитуда сигнала ЭКГ возрастает, а форма его не претерпевает сколь-либо заметных изменений. Эти отведения обозначаются как усиленные aVR, aVL и aVF (foot - нога).

При униполярных грудных отведениях все три активных электрода на -конечностях используются для образования центрального отвода, а в качестве исследовательского применяется отдельный грудной электрод.

Кроме уже рассмотренных систем отведений существуют определенные дополнительные модификации, которые достаточно широко используются в кардиологических отделениях.

Электроэнцефалография ЭЭГ

Электроэнцефалография (ЭЭГ) (электро- + др.-греч. ενκεφαλος - "головной мозг" + γραφω - "пишу", изображать) - раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов.

Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Запись ЭЭГ широко применяется в диагностической и лечебной работе (особенно часто при эпилепсии), в анестезиологии, а также при изучении деятельности мозга, связанной с реализацией таких функций, как восприятие, память, адаптация и т. д.

Рисунок 10. Система расположения электродов «10-20».

Регистрация ЭЭГ производится специальными электродами (наиболее распространенные мостиковые, чашечковые и игольчатые). В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10-20 %» или «10-10 %». Каждый электрод подключен к усилителю. Для записи ЭЭГ может использоваться или бумажная лента или сигнал может преобразовываться с помощью АЦП и записываться в файл на компьютере. Наиболее распространена запись с частотой дискретизации 250 Гц. Запись потенциалов с каждого электрода осуществляется относительно нулевого потенциала референта, за который принимается мочка уха, или кончик носа.

Точки расположения электродов в системе «10-20» определяют следующим образом. Измеряют расстояние по сагиттальной линии от inion до nasion и принимают его за 100%. В 10% этого расстояния от inion и nasion устанавливают соответственно нижний лобный (Fp) и затылочный (О) сагиттальные электроды. Остальные сагиттальные электроды (Fz, Cz и Рz) располагают между этими двумя на равных расстояниях, составляющих 20% от расстояния inion-nasion. Вторая основная линия проходит между двумя слуховыми проходами через vertex (макушку). Нижние височные электроды (ТЗ, Т4) располагают соответственно в 10% этого расстояния над слуховыми проходами, а остальные электроды этой линии (СЗ, Cz, С4) – на равных расстояниях, составляющих 20% длины биаурикулярной линии. Через точки ТЗ, СЗ, С4, Т4 от inion к nasion проводят линии и по ним располагают остальные электроды (РЗ, Р4, Т5, Т6, F3, F4, F7, F8, Fpl, Fp2). На мочки ушей помещают электроды, обозначаемые соответственно А1 и А2. Буквенные символы обозначают основные области мозга и ориентиры на голове: О - occipitalis, Р - parietalis, С - centralis, F - frontalis, А - auricularis. Нечетные цифровые индексы соответствуют электродам над левым, а четные - над правым полушарием мозга (рис. 10).

ДАТЧИКИ

Датчик - (преобразователь медицинской информации) - устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т. д.

Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, т е. определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика

Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью). Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов.

Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).

В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т.е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.

Пассивные датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.

Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополнительной энергии для воздействия на объект и создания немодулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать, к примеру, фотоэлектрические и ультразвуковые.

Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:

1) чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя;

2) динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;

3) погрешность - максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;

4) время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.

Ниже будут рассмотрены датчики температуры, параметров системы дыхания, сердечно-сосудистой системы и некоторые другие. Подобное изложение материала хотя и не соответствует приведенной здесь классификации, представляется предпочтительным для облегчения понимания рассматриваемой проблемы. Это объясняется утвердившимся в классической физиологии и клинической медицине делением организма на отдельные анатомические функциональные системы: система кровообращения, система дыхания, пищеварения и т. д., соответственно которым удобно разделять устройства съема информации об их состоянии. Что же касается электродов, то описание этих устройств съема информации не нуждается в подразделении по отдельным анатомическим системам организма.

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Различают температуру ядра или сердцевины тела и температуру поверхности кожи тела человека. Температура поверхности зависит от условий окружающей среды: температуры и влажности воздуха, одежды, развития волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т. д. Температура ядра тела является более достоверным показателем системы терморегуляции организма. В медицинской практике производят измерения обоих величин.

Для оценки температуры ядра измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, ректальную температуру, температуру в полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке. При измерении температуры поверхности для диагностики важны симметричные температурные поля, которые дают возможность оценить интенсивность кровоснабжения какой-либо части или сегмента человеческого тела.

Для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков используются проволочные и полупроводниковые терморезисторы, а также термоэлементы. В основу работы проволочных и полупроводниковых резисторных датчиков положено их свойство изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть либо положительным, либо отрицательным. Положительный ТКС говорит о том, что при увеличении температуры величина сопротивления датчика возрастает. При отрицательной ТКС это соотношение будет обратным. Такие датчики можно отнести к классу пассивных (параметрических) биоуправляемых датчиков. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика. Высокие ТКС имеют полупроводниковые терморезисторы.

В основу работы термоэлектрических датчиков (термоэлементов) положен принцип работы термоэлектрогенератора. Суть его сводится к следующему: если соединить с одной стороны концы двух металлических пластинок, изготовленных из разных металлов, например из железа и константана, и нагревать место соединения, то между свободными концами пластинок можно зарегистрировать появление электродвижущей силы (э. д. с), которая получила название термоэдс. Величина этой термоэдс зависит от температуры места соединения пластинок и, следовательно, с ее помощью можно судить о температуре. Такие датчики относятся к активным (генераторным) биоуправляемым датчикам.

Среди характеристик, определяющих качество датчиков температуры, необходимо выделить:

а) линейность зависимости сопротивления R или термоэдс от температуры.

Датчик считается линейным, если любое изменение температуры на величину Δt° дает всегда строго пропорциональное изменение параметра датчика (сопротивления R или э.д.с.), т е. выполняется условие - Δt°/ΔR=const или Δt°/Δe=const вне зависимости от начальной температуры. Высокой линейностью отличаются проволочные и термоэлектрические датчики;

б) время реакции τ Время реакции характеризует динамические свойства датчика. Оно равно промежутку времени, необходимому для изменения сопротивления R или э.д.с. ее одного установившегося значения, соответствующего определенной температуре t₁°, до другого установившегося значения, соответствующего иной температуре t₂^o, если изменение температуры с t₁° до t2° осуществляется скачкообразно. Время реакции зависит от типа датчика, от его конструктивного выполнения, теплопроводности его оболочек, массы, температурной разницы и т. д. Минимальное время реакции имеют термисторы, на основе которых выполнено большинство датчиков для одномоментного измерения температуры;

в) стабильность параметров (R или е) во времени

ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ДЫХАНИЯ

При объективном исследовании системы дыхания врача интересуют как количественные характеристики дыхания (частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и др.), так и качественные характеристики процесса внешнего и тканевого дыхания (содержание газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, парциальные давления кислорода и углекислоты в крови, процент насыщения крови кислородом и т. д.). Частота дыхания - один из важнейших параметров, характеризующих функциональную активность системы дыхания. Каждый акт дыхания проявляется движением грудной клетки (изменением длины ее окружности) и образованием противоположно направленных потоков воздуха на вдохе и выдохе, имеющими разную температуру. Фиксация моментов периодически повторяющихся движений грудной клетки может быть наиболее просто осуществлена с помощью трех типов пассивных биоуправляемых датчиков: контактных, резистивных и пневматических.

Рассмотрим простейший контактный датчик (рис. 11, а). На основании 1 укреплены две контактные пластины 2 и 3, образующие нормально разомкнутый контакт. В направляющих втулках 4 движется шток 5. Шток и основание датчика имеют кольца для крепления ремня, опоясывающего грудную клетку. При вдохе шток 5 движется влево и своим выступом 6 передвигает нижнюю контактную пластину 2. Цепь замыкается, фиксируя тем самым момент вдоха.

Рисунок 11. Схема датчиков параметров дыхания. а-контактный датчик, 1-основание, 2, 3-контактные пластины, 4-направляющие втулки, 5-шток, 6-выступ штока, б-угольный датчик 1-резиновая трубка, 2-уголный порошок, 3-электроды, 4-отводящие проводники, 5-скобы крепления, в-датчик из проводящей резины 1-проводящая резина, 2-электроды, г-пневматический датчик, д-турбинный датчик, 1-цилиндрический корпус, 2, 3-фланцы крепления, 4-направляющие, 5-ось, 6-подшипники, 7-вращающиеся пластинки, 8-отражательные плоскости, 9-фотодатчик.

Резистивный датчик, частоты дыхания (рис 11, б) представляет собой резиновую эластичную трубку 1, наполненную угольным порошком 2. С торцов трубки вставлены электроды 3 для создания хорошего контакта между отводящими проводниками 4 и угольным порошком 2. К концам трубки с помощью проволочных скоб 5 крепится опоясывающий грудную клетку ремень. При вдохе резиновая трубка растягивается, ее поперечное сечение уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления столба угольного порошка, заключенного в трубке. При изменении сопротивления изменяется ток в цепи. Измерительной схемой эти изменения преобразуются в импульсы тока определенной длительности, частота следования которых равна частоте дыхания.

В другом резистивном датчике (Рис. 11, в) в качестве чувствительного элемента используется специальная токопроводящая резина 1. Контактами служат электроды 2. Растяжение резины при вдохе ведет к увеличению сопротивления, которое, как и ранее, преобразуется в импульсы тока.

Пневматический датчик (рис. 11, г) частоты дыхания представляет гофрированную резиновую трубку, герметично закрытую с торцов. При растяжении объем трубки увеличивается, и давление воздуха внутри нее падает. Изменение давления улавливается с помощью какого-либо преобразователя П давление - электрический сигнал, например, с помощью угольного датчика давления.

Датчики частоты дыхания, принцип работы которых основан на фиксации движений грудной клетки, обладают существенным недостатком: они фиксируют любое изменение окружности грудной клетки, как связанное с дыханием, так и просто вследствие движения тела пациента. Поэтому такие датчики чаще применяются при исследовании больного в условиях покоя и необходимого комфорта

Датчик, фиксирующий изменения температуры потока воздуха в верхних дыхательных путях, свободен от этого недостатка. Конструктивно он представляет собой клипсу, которая надевается на крыло носа. В качестве термочувствительного элемента использован термистор. Сопротивление термистора зависит от температуры обдувающего его потока воздуха. Известно, что разница температур вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в нормальных условиях может достигать 4-5°С. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через термистор. На выдохе амплитуда тока через термистор возрастает, на вдохе - уменьшается. Каждое изменение тока соответствует одному дыхательному движению. В результате с выхода датчика снимается последовательность импульсов, которая может быть использована для измерения частоты дыхания.

Резистивные, пневматические и термисторные датчики, кроме определения частоты дыхания, позволяют примерно оценить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, так как величина изменения их параметров (сопротивление, объем, температура) связана определенной зависимостью с глубиной дыхания, т. е. с объемом вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Однако эта зависимость подвержена сильным влияниям различных посторонних факторов. Например, данные резистивных и пневматических датчиков об изменении окружности грудной клетки могут не соответствовать объемам вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при размещении датчиков, не соответствующем типу дыхания у данного больного (брюшное или грудное). Показания термисторного датчика сильно зависят от температуры и влажности окружающей среды. Это не позволяет получить точную оценку дыхательных объемов с помощью простых по конструкции резистивных, пневматических и термисторных датчиков.

Рисунок 12. Датчик для фотометрического измерения содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. 1-лампа подсветки, 2-светофильтр. 3-фотосопротивление, 4-исследуемая ткань.

Более точно определить объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха позволяет турбинный датчик (рис. 11, д). Он представляет собой полый цилиндр 1, изготовленный из органического стекла с фланцами для крепления к дыхательной маске 2 и к трубке подачи газовой смеси 3. Газовому потоку с помощью направляющих 4 придается вращательное движение. На пути газового потока расположена на оси 5 в подшипниках 6 плоская пластинка 7. К торцам этой пластинки крепятся отражательные плоскости 8. Движение газовой струи вызывает вращение пластинки со скоростью, пропорциональной скорости движения этой струи. Число оборотов фиксируется фотодатчиком 9, -установленным на корпусе в плоскости вращения пластинки (принцип работы фотодатчика рассмотрен ниже). На выходе преобразователя мы будем иметь последовательность электрических импульсов, частота следования которых будет пропорциональна количеству прошедшей через датчик газовой смеси. Подобные датчики применяются при достаточно точных физиологических исследованиях.

Контроль эффективности дыхания можно осуществлять путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. Метод измерения основан на отличии спектральных характеристик поглощения света восстановленным гемоглобином - Нb и оксигемоглобином - НbО₂. При длине световой волны 620-680 мкм коэффициент поглощения для гемоглобина в несколько раз выше, чем для оксигемоглобина, что может быть использовано для измерения содержания оксигемоглобина. Подробное описание принципа и методики таких измерений имеется в литературе. Датчик дл