Методики реографических исследований

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему:

____________________Разработка и расчет реокардиографической системы___________________

 

Студент ___________________________ _________Имшенецкая А.Г.____________

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

 

Руководитель курсовой работы _______________________ _______Тихомиров А.Н.______

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

 

Москва, 2014

Содержание

1. Обзор методов неинвазивной оценки параметров гемодинамики…………………3

2. Биофизические основы метода реографии …………………………………………..6

3. Обзор существующих приборов и систем для реографии….……………………….11

4. Разработка медико-технических требований на реограф………………………….15

5. Разработка структурно-функциональной схемы реографа………………………..23

6. Расчет основных элементов принципиальной схемы биоусилителя……………..25

6.1 Выбор инструментального усилителя………………………………………25

6.2 Детектор……………………………………………………………………….27

6.3 АЦП…..……………………………………………………………………….28

6.3 Расчет и моделирование фильтров………………………………….………29

7. Выводы…………………………………………………………………………….….35

8. Список используемой литературы……………………………………………..……36

Обзор методов неинвазивной оценки параметров гемодинамики.

Распространённость сердечно-сосудистых заболеваний определяет актуальность разработки новых и эффективных компьютерных технологий для их диагностики, лечения и прогнозирования, т.е. для оценки функционального состояния системной гемодинамики и жидких сред организма. Разработка новых методов исследований, обеспечивающих диагностику функционального состояния сердечно-сосудистой системы, заключается в поиске доступных для широкого применения новых методов и показателей количественного определения интенсивности кровоснабжения. В настоящее время функциональная диагностика располагает достаточно информативными прямыми и косвенными методами оценки состояния сердечно-сосудистой системы.

Прямые (инвазивные) методы обладают достаточно высокой точностью измерения, однако оказывают в первую очередь травматическое воздействие на пациента. Практически невозможен длительный выборочный контроль и мониторное наблюдение.

Косвенные (неинвазивные) методы исследования характеризуются менее высокой точностью, но обычно позволяют осуществлять длительный и непрерывный контроль параметров кровоснабжения в динамике.

В медицинской практике используются такие косвенные методы, как:

· электрокардиография (ЭКГ);

· фонокардиография (ФКГ);

· фотоплетизмография (ФПГ);

· измерение и мониторирование артериального давления (АД);

· ультразвуковые методы (УЗИ);

· магнитно-резонансная томография (МРТ);

· реоплетизмографический (РПГ) или биоимпедансный метод (БИМ).

Ø Наиболее распространенным инструментальным методом изучения сердца является электрокардиография, основанная на принципе измерения потенциалов с поверхности тела человека при помощи электродов. Помимо точности, надежности и достоверности измерений, оперативности получения данных, преимуществом электрокардиографии является то, что, не смотря на свою сложность, электрокардиограф прост в обращении, и медицинский работник соответствующей квалификации без труда умеет с ним обращаться и при необходимости может быстро освоить и другую медицинскую технику.

Ø Фонокардиография - это широко известный метод исследования сердечно-сосудистой системы, заключающийся в графической регистрации звуковых явлений (тонов и шумов), возникающих при сердечной деятельности. С помощью фонокардиографии врач также может проводить аускультацию (выслушивание) грудной клетки. Звуковые колебания, возникающие при работе сердца, распространяются в направлении тока крови. Сравнивая различную интенсивность этих звуков в общепринятых точках аускультации сердца, можно определить, какие нарушения в работе сердца вызвали появление шумов, изменение тонов и т.д.

Ø Фотоплетизмография – метод,основанный на измерении оптической плотности; производят непрерывную графическую регистрацию изменений объёма, отражающих динамику кровенаполнения сосудов исследуемых органов, части тела человека или животного

Ø Для измерения артериального давления в настоящее время применяются механические (анероидные) и электронные измерители. Механические измерители, основанные на использовании метода Короткова (метод заключается в полном пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, возникающих при медленном выпускании воздуха из манжеты), в основном применяются в профессиональной медицине, так как без специального обучения допускаются погрешности в показателях. Для домашнего использования наиболее подходят полуавтоматические и автоматические электронные тонометры. При этом используется осциллометрический метод. Он основан на регистрации тонометром пульсаций давления воздуха, возникающих в манжете при прохождении крови через сдавленный участок артерии.

Ø Ультразвуковые методы. Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сканирование, сонография) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.

Ø Магнитно-резонансная томография — томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса — метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Ø Биоимпедансный метод, наиболее известный как реографический, является одним из наиболее удобных и перспективных методов мониторного контроля гемодинамики. Биоимпедансные методики отличаются безвредностью, технической простотой, удовлетворительной биофизической обоснованностью и достоверностью, хорошей воспроизводимостью результатов, пригодностью для частого повторного применения. Они используются не только для обследований в естественных, нормальных для человека условиях, но и при мониторинге в нагрузочных и экстремальных состояниях.

Методики реографических исследований.

1. Реоэнцефалография – неинвазивный метод исследования сосудистой системы головного мозга. Реоэнцефалографическое исследование позволяет получать объективную информацию о тонусе, эластичности стенки и реактивности сосудов мозга, периферическом сосудистом сопротивлении, величине пульсового кровенаполнения. Достоинства метода – его относительная простота, возможность проведения исследований практически в любых условиях и в течение длительного времени, получение раздельной информации о состоянии артериальной и венозной систем мозга и о внутримозговых сосудах различного диаметра.

2. Реопульмонография – заключается в регистрации электрического сопротивления тканей легких, применяется при бронхолегочной патологии. Особое значение имеет в хирургии, так как реопульмонограмма может быть снята с любого участка легкого непосредственно во время операции. Это необходимо в случаях, когда
дооперационное обследование не позволяет с достаточной точностью дать
заключение о состоянии сегментов легкого, пограничных с пораженными, и надо уточнить предполагаемый объем резекции.

3. Реовазография – метод исследования интенсивности периферического кровообращения, оценки состояния сосудистого тонуса, выраженности коллатерального кровообращения, оценки состояния венозной системы.

4. Метод грудной (трансторакальной) реографии используется для косвенного неинвазивного определения основных показателей центральной гемодинамики – ударного и минутного объемов и общего периферического сопротивления. До сих пор для определения ударного и минутного объемов применялись инвазивные методы. Одна из наиболее актуальных областей применения грудной (трансторакальной) реографии – оперативная диагностика центральной гемодинамики в отделениях реанимации и интенсивной терапии.

2. Биофизические основы метода реографии.

Реография – метод графической регистрации изменений сопротивления живых тканей или органов, обусловленных как пульсовыми, так и медленными колебаниями их кровенаполнения.

Метод реокардиографии применяют для исследования сердечной деятельности, основанный на измерении изменений полного электрического сопротивления грудной клетки, связанных с динамикой кровенаполнения сердца и крупных сосудов в течение сердечного цикла. Применяют реокардиографию для изучения гемодинамики в малом круге кровообращения, фазового анализа сердечного цикла, а также для неизнвазивного определения величины ударного объема сердца.

Изменения импеданса участков живой ткани или органов между электродами измерительной схемы, вызываемые колебанием их кровенаполнения, преобразуются в изменения напряжения на выходе схемы, которые затем усиливаются с помощью электронного усилителя и детектируются в виде реограмм.

Биологические объекты с физической точки зрения являются проводниками особого рода, характеристики которых отличают их от любых других проводников. Биологические системы отличаются от других систем сложностью, вариабельностью элементов электрических характеристик аналогичных объектов и высокой динамичностью, обусловленной необходимостью постоянного приспособления к изменяющимся условиям внешней среды. Живые ткани представляют собой сложную гетерогенную структуру, состоящую из областей с различной проводимостью.

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость и сыворотка крови, несколько меньшую – цельная кровь и мышечная ткань, значительно меньше электропроводность жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками являются роговой слой кожи и костная ткань.

Электропроводность (g) - величина, обратная сопротивлению проводника:

где r – велична, характеризующая электрическое сопротивление.

При исследованиях тканей биологических объектов обычно определяют не электропроводность, а сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника выражается формулой:

где ρ – удельное сопротивление, l – длина проводника, s – сечение проводника.

Первые исследования характеристик биологических объектов проводились на постоянном токе и показали, что удельное сопротивление живых тканей измеряется величинами до 10⁵ [Ом*см], что относит их к группе проводников.

Сопротивление участков тела при постоянном токе и электродах площадью 4-5 см² обычно лежит в пределах 5-10 кОм, а при точечных электродах может достигать 100 кОм.

Измерениями установлено, что при прохождении постоянного тока через живые ткани сила тока I₀ не остается постоянной во времени, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать до тех пор, пока не установится на более низком постоянном уровне (I_T). Это объясняется тем, что при прохождении тока через биосистему в ней возникает встречная ЭДС и обусловливает появление в тканях биологической системы поляризационной емкости:

Где Ср – поляризационная емкость, R – сопротивление, I – сила тока, I₀ – начальная сила тока, I_T – конечное значение силы тока.

Изменение силы тока в цепи имеет нелинейный характер, что соответственно свидетельствует о нелинейности сопротивления биологической ткани. Тогда закон Ома для БО записывают в виде:

Где V – разность потенциалов, P(t) – ЭДС поляризации как функция времени.

Поляризационная емкость различных биологических объектов, измеренная при постоянном токе, а также при токе низкой частоты от 50 до 500 Гц достигает больших величин – от 0,1 до 10 мкФ/см².

При пропускании переменного тока через живую ткань в ней возникают также, хотя и в меньшей степени, чем при постоянном токе, поляризационные явления, складывающиеся в основном из внутритканевой поляризации и поляризационных явлений на границе электрод – ткань.

Полное сопротивление живой ткани переменному току определяется суммой активного и емкостного сопротивлений:

Модуль полного сопротивления:

Электрическое сопротивление БО в большой степени зависит от частоты переменного тока. На низких частотах поляризационные явления характеризуются большим значением поляризационной емкости и активного сопротивления. Соответственно с ростом частоты поляризационные эффекты в тканях уменьшаются, а на частотах выше 500 кГц практически отсутствуют.

Рис. 1. Амплитудно-временные параметры РКГ сигнала

(S^/, Т^/ - моменты начала и окончания изгнания, Г₁, Г₂ – зоны соответствующие моментам формирования Q и S зубцов на ЭКГ, PEP – период изометрического сокращения сердца, ELVET – период изгнания крови левым желудочком сердца, A_d – амплитуда первой производной сигнала РКГ, R(B) – R(T) – разность сопротивлений между точками В и Т)

 

Для регистрации реограмм используют специальные приборы — реографы, выполненные, как правило, в виде приставок к многоканальным регистрирующим устройствам (полиграфам, электрокардиографам). Основными элементами реографа любой модификации являются генератор тока высокой частоты (обычно не менее 30 кГц), подаваемого через токовый электрод к исследуемому участку тела: датчик-преобразователь «импеданс — напряжение», соединяемый с исследуемым участком тела электродом напряжения (потенциальным); детектор; усилитель сигналов датчика-преобразователя; калибрующее устройство с дискретно включаемыми в электрическую цепь стандартными сопротивлениями (0,01; 0,05; 0,1; 0,2 Ом).

В приборах, конструкция которых позволяет регистрировать не только изменения величины импеданса, но и скорость этих изменений (так называемая дифференциальная реограмма), предусмотрена калибровка кривых в размерности Ом/с. В зависимости от конструкции прибора для записи реограмм могут использоваться одна или несколько из применяемых систем отведений: биполярная, при которой токовые и потенциальные электроды совмещены и представлены двумя электродами, накладываемыми на полярные точки исследуемого участка тела; тетраполярная, при которой между двумя отдаленно расположенными на теле токовыми электродами помещают два потенциальных электрода для измерения изменений напряжения на участке тела между ними; фокусирующая, при которой взаимное положение потенциального (центрального) и токового электродов позволяет проводить локальное (фокусированное) исследование глубоко лежащих органов и тканей.

В реографии преимущественно используется тетраполярная схема наложения электродов реже – биполярная.

Рис.2 Биполярная схема наложения электродов.

Рис.3 Тетраполярная схема наложения электродов.

 

Для записи реограмм используют посеребренные электроды, электроды из алюминия, свинца, нержавеющей стали, меди, латуни, алюминиевой фольги и др. Форма и размер электродов зависят от цели и области исследования. Необходим надежный контакт электродов с кожей для уменьшения переходного сопротивления на границе электрод-кожа; с этой целью рекомендуется обезжиривать кожу под электродами спиртом; целесообразно также применение электродной пасты (смазывание ею нижней поверхности электродов) или помещение под электроды однослойных фланелевых прокладок, смоченных 20% раствором хлорида натрия. При динамических исследованиях важно, чтобы электроды располагались в одних и тех же местах. Запись реограмм производят при скорости лентопротяжки 25—50 мм/с.

 

3. Обзор существующих систем для реокардиографии.

Реограф "Диамант-Р"(производитель – Россия).

4-х канальный, 3-х частотный реограф "Диамант-Р" для исследования центральной и периферической гемодинамики, жидкостных секторов и структуры тела

Рассчитывается более 70-ти показателей: ударный и минутный объемы крови; ударный и сердечный индексы; частота сердечных сокращений; показатели гемодинамической обеспеченности; реографический, дикротический, диастолический индексы; длительность анакротической и дикротической фаз; время распространения систолической волны; венозный отток; количество внеклеточной, внутриклеточной жидкости, общее количество жидкости и другие.

Возможности и особенности комплекса: синхронная регистрация, автоматическая обработка реограмм; мгновенное получение синдромальных заключений по выбранным методикам исследований, оценка функциональных проб; контроль динамики изменений состояния пациента; база данных и электронная карта для каждого пациента; принтерная печать на обыкновенную бумагу формата А4; существует возможность "наращивания" комплекса, совершенствования и добавления в комплекс новых методик исследований и новых программных средств.

 

Реограф «Мицар – РЕО» (производитель - Россия)

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

Подключение к компьютеру через последовательный (USB) порт. Схема регистрации: биполярная или тетраполярная. Длительность регистрации ограничена только объемом жесткого диска.