Плетизмографы

ПЛЕТИЗМОГРАФ (греч. plethysmos — увеличение + grapho — пишу) — прибор для определения изменения объема конечностей, вызываемых изменением их кровенаполнения, причем плетизмографы обеспечивают неинвазивные измерения этих изменений, а эта информация используется для вычисления кровотока.

Механические (окклюзивные) плетизмографы. Работа этих плетизмографов основана на измерении изменения объема воздуха или воды, которое возникает при увеличении объема конечностей или некоторой ее части за счет артериального кровотока при отсутствии венозного кровотока.

На рис. 6.5, а показана схема воздушного (пневматического) плетизмографа для определения кровотока в предплечье и руке. Он содержит камеру, в которой размещается исследуемая конечность или ее часть, устройство для измерения и регистрации изменений объема воздуха в камере.

 

Рис. 6.5. Схема механического плетизмографа:

1 — камера; 2— исследуемая часть конечности; 3 — окклюзивная венозная манжета; 4— герметизирующая резиновая манжета; 5— цилиндр; 6 — поршень; 7— чернильница с пером; 8— вращающийся барабан с диаграммной лентой: 9— шприц для калибровки; Kpl; Кр2 и КрЗ — краны

 

Перед измерением на коже восковым карандашом делают отметку (пунктирная линия на рис. 6.5, а), по которой определяют исследуемую часть конечности. Затем эту часть конечности до нанесенной отметки помещают в камеру при открытом кране Кр1 и закрытых кранах Кр2 и КрЗ, что предотвращает воздействие изменений объема газа в камере на измерительное устройство. Камера закрепляется на руке с помощью эластичной повязки, которая обеспечивает дополнительную герметизацию. Предварительно осуществляется калибровка плетизмографа. Для этого закрывают кран Кр 1, открывают краны Кр2 и КрЗ. С помощью шприца в измерительное устройство вводят, а затем выводят известные объемы воздуха. При вводе некоторого объема газа во внутреннюю полость цилиндра поршень перемещается вверх.

При этом связанное с ним перо с чернильницей перемещается вдоль образующей барабана, а при вращении последнего осуществляется запись перемещений пера, связанного с изменением объема газа под поршнем. Таким образом калибруют всю шкалу измерительного устройства плетизмографа. По окончании калибровки кран КрЗ закрывают.

Измерение кровотока осуществляется при закрытых кранах Kpl и КрЗ и открытом кране Кр2. В оклюзивной манжете создается давление 50—70 мм рт. ст. При этом прерывается венозный кровоток, т. е. отток крови из конечности, а за счет артериального кровотока объем исследуемой части конечности начинает постепенно увеличиваться.

В течение 10—20 с объем вытесняемого в камере воздуха увеличивается, что связано с увеличением объема исследуемой части конечности.

Затем изменения постепенно замедляются, а когда венозное давление достигает давления в окклюзивной манжете, кровь начинает протекать по венам, возвращаясь к сердцу. При этом значение вытесненного из камеры объема воздуха достигает максимума Когда давление в окклюзивной манжете сбрасывается, объем крови в исследуемой части конечности возвращается к исходному значению.

Электроплетизмографы (электроимпедансные плетизмографы или реографы). Работа этих плетизмографов основана на измерении полного электрического сопротивления исследуемого участка тела, которое зависит от его наполнения кровью.

Известно, что прохождение пульсовой волны кровотока через некоторый участок тела, например через участок конечности (рис. 6.6, а), увеличивает его объем, и экспериментально установлено, что при этом уменьшается полное сопротивление этого участка, что и используется в работе реографов.

 

Рис. 6.6. Схемы реографов:

1 — исследуемая часть тела; 2 — электроды; 3 — стабилизированный источник напряжения; 4 — электронный усилитель; 5—выпрямитель (демодулятор); 6—дифференциатор; 7—регистрирующий прибор; 8 — внешние (токовые) электроды

 

 

В реографах используется двухэлектродная (биполярная) и четырехэлектродная (тетраполярная) схемы измерений полного сопротивления.

При использовании двухэлектродной схемы с помощью двух электродов (см. рис. 6.6, а) исследуемый участок подключается к электрическому неуравновешенному мосту переменного тока в качестве плеча, а смежным плечом служит последовательное соединение активного переменного резистора R и переменного конденсатора С. Два других плеча являются активными постоянными сопротивлениями R1 и R2. Плечо моста, содержащее переменный резистор R и конденсатор С, уравновешивает мост перед измерением. Мост питается от стабилизированного источника переменного тока частотой 80 — 175 кГц, который подключен к его питающей диагонали b — d. Разбаланс моста, возникающий на измерительной диагонали а — с, усиливается электронным усилителем переменного тока. Затем с помощью демодулятора сигнал постоянного тока посылается на регистрирующий прибор или через аналого-цифровой преобразователь — в компьютер.

При использовании четырехэлектродной схемы для получения реограмм к исследуемому участку подключаются четыре электрода (рис. 6.6, г). Здесь к внешним, так называемым токовым электродам, подключается источник питания, создающий стабилизированный по значению переменный ток через исследуемый участок. Сигнал к электронному усилителю снимается с внутренних потенциальных электродов. Использование четырехэлектродной схемы обеспечивает большую однородность тока, проходящего через исследуемый участок, и уменьшает влияние на результат измерений вариаций сопротивлений на границе электрод — кожа.

Реографы широко используются для исследования гемодинамики различных частей тела и внутренних органов человека, а именно: для исследования аорты и легочной артерии, мозга (реоэнцефалография), легких (реопульмография), печени (реогепатография), конечностей (реовазография) и др. На рис. 6.7, а показана схема наложения пластинчатых электродов при реографии конечностей.

Рис. 6.7. Схемы размещения электродов при реографии конечностей (а)

и интегральной реографии (б):

1— токовые электроды; 2 —потенциальные электроды; 3 — предплечье (четырехэлектродная схема); 4—плечо; 5— предплечье; б—бедро; 7—голень; 8— нога в целом; 9— палец руки; 10— стабилизированный источник питания; 11 — компьютер; 12 — аналого-цифровой преобразователь; 13 — электронный усилитель

 

Тетраполярные реографы применяют для получения интегральныхреограмм. Схема подключения человека к реографу показана на рис. 6.7, б. Как следует из рисунка, к реографу в данном случае подключается все тело человека, что определяет близость интегральной реографии к балластокардиографии. Токовые электроды левой и правой рук соединены между собой и подключены к реографу, так же соединены между собой и подключены к реографу токовые электроды ног. По аналогичной схеме соединены и подключены к реографу потенциальные электроды рук и ног.

Получаемая при таком соединении реограмма представляет собой кривую, форма которой имеет характерные черты объемной сфигмограммы. По интегральной реограмме с использованием эмпирических зависимостей и компьютерной обработки информации удается получить комплексные оценки состояния систем кровообращения и дыхания.

Фотоплетизмографы. Работа фотоплетизмографов основана на использовании явления поглощения и отражения оптического излучения исследуемой частью тела (тканью), которое сопровождает изменение кровенаполнения сосудов.

В настоящее время распространены фотоплетизмографы, измеряющие кровонаполнение в проходящем или отраженном потоке света. Схемы датчиков этих фотоплетизмографов показаны на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Схемы узлов фотоплетизмографов (а,б,в), фотоплетизмограмма (г) и примеры размещения датчиков на исследуемых участках (д, е, ж):

1 — оптическая система; 2— источник излучения; 3—линза; 4— световод; 5— исследуемая ткань; 6 — светофильтр; 7 — фотоприемник; 8 — источник питания; 9 — электронный усилитель; 10 — аналого-цифровой преобразователь; 11—компьютер; 12— зажим; 13 — датчик фотоплетизмографа, работающего на отраженном свете; 14 — бандаж

Датчик для измерения кровенаполнения в проходящем смете (рис. 6.8, а) содержит источник излучения, оптическую систему, содержащую в общем случае линзу и световод, светофильтр и смею приемник. В частных случаях в датчиках используют более простые оптические системы.

Датчик для измерения кровенаполнения в отраженном свете (рис. 6.8, б) также содержит источник излучения и фотоприемник, а также две оптические системы, оптические оси которых расположены под углом к поверхности исследуемой ткани.

В качестве источников излучения в рассматриваемых датчиках используются миниатюрные лампы накаливания или светодиоды, а в качестве фотоприемников — вентильные фотоэлементы, в основном фототранзисторы. Диапазон используемых инфракрасных излучений (0,75—1 мкм) обеспечивается использованием светофильтров.

Используется несколько схем измерения интенсивности фотопотоков в фотоплетизмографах.

На рис. 6.8, в в качестве примера приведена схема с постоянным во времени напряжением питания светодиода, используемого в качестве источника инфракрасного излучения. Использование светодиодов, например из арсенида галия, которые имеют узкую полосу излучения с максимумом на длине волны, равной 0,940 мкм, характерно для современных фотоплетизмографов, так как обеспечивает компактность датчика.

Здесь поток излучения из исследуемой ткани подается в фототранзистор, включенный по схеме со свободной базой, преобразуется в электрический сигнал, дополнительно усиливается и посылается нарегистратор (на рис. 6.8, в не показан) или в аналого-цифровой преобразователь, который подключен к компьютеру.

Изменение сигнала датчика во времени, вызванное изменением кровонаполнения исследуемой ткани, и представляет собой фотоплетизмограмму (рис. 6.8, г). По фотоплетизмограмме определяют пульсовую волну (сфигмограмму), или иначе объемный пульс, скорость кровотока, сосудистый тонус (степень напряжения стенки сосудов), проницаемость капилляров, минутный и систолический объем крови и другие показатели кровообращения.

На рис. 6.8, е и ж показаны примеры установки датчиков фотоплетизмографа на ухе, пальце руки и на предплечье. Как видно, установка датчиков на указанных частях тела осуществляется с помощью зажимов или бандажа. Аналогичные устройства крепления датчиков фотоплетизмографов используют при исследовании кровенаполнения других участков тела.