Метод анализа кривой артериального пульса - динамика сердечно-сосудистой системы
Если жидкость выбрасывается в герметически замкнутый сосуд с эластичными стенками, то прирост объема вызывает повышение давления в системе. Когда взаимоотношения между объемом и давлением хорошо изучены, прирост объема можно регистрировать путем записи изменений давления в сосуде. Когда жидкость покидает сосуд, стенки его спадаются и могут растянуться снова лишь при новом накачивании жидкости. При этих условиях давление будет возрастать при подкачке жидкости и растяжении стенок сосуда и снижаться, когда жидкость вытекает из сосуда и стенки его спадаются. Разница между максимальным и минимальным давлением отражает количество жидкости, которое подкачивается в сосуд и покидает его. Если растягиваемый сосуд является длинным и узким цилиндром с эластичными стенками, то жидкость, которую нагнетают в сосуд, распределится в нем неравномерно и регистрируемое давление исказится вследствие отражения волны. Подобные ситуации возникают и в артериальной системе тела. Remington и сотр. [26], Warner [27] разработали несложные методические приемы, позволяющие производить анализ пульсового давления, результаты которого являлись в значительной мере достоверными. При исследовании характера пульса их методика обладает большими потенциальными возможностями. Она позволяет вычислить ударный объем в каждом отдельном сердечном цикле. Однако возможности этой методики становятся значительно ограниченными при высокой частоте пульса.
Вычисление кровотока в аорте по градиенту давления
Математические взаимоотношения между давлением, вязкостью и плотностью были выражены в уравнении Navier Stokes, которое представляет собой всеобщее выражение законов течения жидкости. Fry и сотр. [28] развили и модифицировали это уравнение, которое может быть выражено следующим образом:
dp/dz =1,1 (p/g) (dw/dt) + aw,
где p — боковое давление (см. вод. ст.)- z — дистанция между точками измерения давления (см)- р — плотность крови (г/см3)- g — ускорение силы тяжести, см/(с-с)- со — кровоток- t — время (с)- 1,1—экспериментально найденная константа, которая дает возможность нивелировать разницу в скорости кровотока на разных уровнях сечения сосуда и а — коэффициент трения.
При непрерывном введении в компьютер данных о разнице давления в двух точках артерии можно получать непрерывные данные о скорости кровотока между этими точками путем непрерывного решения указанного выше уравнения. Для этой цели используется двойной катетер, вводимый в сосуд путем зондирования артерии и позволяющий непрерывно регистрировать давление в двух точках артерии, отстоящих друг от друга на 4—5 см. Обязательным условием является использование весьма точных регистрирующих устройств, если величина градиента давления непрерывно вводится в аналоговую вычислительную машину, которая непрерывно решает указанное уравнение и выдает данные, регистрируемые в виде непрерывной кривой скорости кровотока в сосуде. Эта кривая очень напоминает те, которые регистрируются с помощью других методов (например, с помощью ультразвукового флоуметра). Фактические трудности, возникающие при использовании этой методики, зависят от того, что в двух точках артерии, отстоящих друг от друга на 5 см, разница давлений не превышает 1—2 мм рт. ст. даже при высокой скорости кровотока. При этом лишь 1 % ошибки в определении одного из двух давлений приводит к ошибке градиента давления, равной 10%. Несмотря на эти технические трудности, флоуметрия, основанная на измерении градиента давления, заслуживает серьезного внимания, так как она представляет собой один из немногих методов, которые могут быть использованы для непрерывной регистрации скорости кровотока у человека.
Jones и соавт. усовершенствовали эту методику, предложив более простую формулу для определения зависимости между давлением и кровотоком. И хотя в этом случае также регистрируются волнообразные изменения скорости кровотока, ценность этой упрощенной формулы остается сомнительной, несмотря на сообщения о высокой степени корреляции данных, полученных этим методом, с результатами измерений, проведенных с помощью метода Фика или метода разведения индикаторов.
Оценка состояния сердца по скорости изменения показателей его деятельности во времени. У пациентов с серьезными заболеваниями сердца может наблюдаться нормальная величина сердечного выброса и минутного объема сердца в покое. Сравнительные исследования деятельности сердца с помощью различных методик в состоянии покоя и при разных нагрузках показали, что наиболее точным индикатором состояния сердца является скорость изменений (первая производная).
Например, скорость изменения давления (dp/dt), скорость выброса систолического объема крови, а также скорость изменения скорости (ускорение). Во время состояния напряжения, которое вызывает усиление импульсации в симпатических нервах, регулирующих работу сердца, важнейшее значение имеет прежде всего скорость, а также ускорение сердечного выброса. Это и есть первичная реакция сердца на воздействие симпатических нервов (см. также рис. 3.30 и 3.31). И, наоборот, экспериментальное воздействие, которое угнетает деятельность сердца, вызывает уменьшение скорости сердечного выброса и уменьшение ускорения крови, питаемой желудочком.
Так, например, экспериментальная коронарная окклюзия приводит уже в течение первых 15—20 ударов сердца к возрастанию частоты сердцебиений, сопровождающемуся значительным замедлением скорости сердечного выброса и уменьшением крутизны кривой подъема давления. Подобные изменения были выявлены и во время экспериментального кровотечения, приводящего к снижению системного артериального давления. Общий наркоз, вызванный пентобарбиталом или галотаном, приводит к такому же эффекту. Эти факты были подтверждены Noble и сотр., которые пришли к выводу о том, что вызванное тем или иным способом максимальное ускорение кровотока тесно коррелирует с максимальной силой сокращения в начале систолы и с максимальной скоростью изгнания крови. Авторы подчеркивают, что максимальное ускорение изменяется при перемене положения тела или частоты сердцебиения. Все эти наблюдения свидетельствуют о том, что именно данный показатель позволяет непосредственно определить функциональное состояние миокарда желудочков.
Для использования этой методики в отличие от определения функций сердца у человека необходимы высокочувствительные приборы, чтобы уловить изменения ускорения крови в момент систолы. Скорость возрастания внутрижелудочкового давления и давления в аорте является общепризнанным и важным критерием функционального состояния и потенциальных возможностей миокарда желудочка.
Ускорение выброса крови из желудочков представляет собой в настоящее время лучший показатель функции желудочка.
О некоторых перспективах методики определения функционального состояния сердца
Ускорение кровотока может быть определено только высокочувствительными приборами. Среди них можно назвать флоуметры, изображенные на рис. 2.12. Приборы, которые можно успешно использовать при исследовании сердца человека, могут функционировать на основе оценки изменения градиента давления, анализа кривой артериального пульса, а также изучения допплеровского эффекта при отражении ультразвуковых волн движущейся кровью. Последний способ не требует пункции сосудов.
В своих простейших формах эти устройства позволяют получить весьма полезную информацию в отношении скорости кровотока в периферических артериях. Недавно разработанные ультразвуковые флоуметры, основанные на регистрации допплеровского эффекта, позволяют изучить скорость кровотока в сосуде, находящемся на значительном расстоянии от прибора, который при этом располагается на поверхности кожи. Это значит, что ускорение скорости кровотока и сама скорость могут быть определены с помощью датчиков, располагающихся на поверхности тела и получающих сигналы, например, о скорости кровотока в дуге аорты.
Ультразвуковые флоуметры с датчиками, накладывающимися на кожу
Ультразвуковые флоуметры генерируют непрерывный поток ультразвуковых волн, которые, проходя через сосуды с движущейся кровью, генерируют слышимые звуки, возникающие вследствие интерференции прямой и отраженной волн (рис. 2.17). Это позволяет определить скорость тока крови в сосуде
Л. Ультразвуковой допплеровский флоуметр, непрерывно посылающий ультразвуковые волны (УВ), применяется для определения скорости кровотока в артериях и вонах, проходящих подкожно.
Б. Импульсный ультразвуковой допплеровский флоуметр (УФ) позволяет определить скорость движения даже очень небольших порций крови на любом уровне поперечного сечения сосуда.
В Изменение скорости выброса крови в аорту
может быть зарегистрировано с помощью УВ флоуметра, помещенного в области сонной артерии, путем определения наивысшей скорости смещения жидкости в верхней части грудной клетки.
Г. Импульсный флоуметр (ИФ) может быть использован для определения скорости движения крови в камерах сердца и в больших сосудах. Этот метод приобретает все большее и большее значение в клинических исследованиях.
РИС. 2.17.
по отношению к направлению ультразвукового луча. Отсутствие подобных сигналов при направлении луча вдоль артерии позволяет диагностировать окклюзию артерии (по характерному выпадению звуков при окклюзии). Ультразвуковой луч проникает больше, чем через один сосуд, например, через артерию и вену, лежащую рядом. Сигналы при этом генерируются обоими потоками крови, и уху нелегко различить оба типа сигналов. Большая пространственная разрешающая способность может быть получена в устройствах, которые генерируют сверхвысокочастотпые ультразвуковые сигналы, отражающиеся в тканях. С помощью эксквизитной электронной техники эти отраженные сигналы могут быть точно дифференцированы по времени их возврата, что позволяет таким образом измерить скорость кровотока точно на определенном уровне течения сосуда. Эта техника позволяет определить скорость кровотока в различных слоях движущейся в одном и том же сосуде крови.
Сигналы, по которым определяется скорость кровотока, можно воспринимать на слух или зарегистрировать. Они могут отражаться от любых небольших порций движущейся крови, на любом заданном расстоянии от поверхности сосуда. Существует система, основанная на допплеровском эффекте, в которой ультразвуковой луч генерируется в виде отдельных посылок (импульсов). Она может быть использована для того, чтобы определить локализацию артериальных стенок по характерным, возникающим при этом отрывистым звукам или, например, изучать распределение кровотока внутри артерии, пролегающей под кожей, с помощью довольно простых и безопасных процедур. Методика, основанная на изучении допплеровского эффекта при периодических (импульсных) посылках ультразвуковых колебаний, теоретически может быть использована в будущем для определения скорости течения любых жидкостей в любых органах, тканях и участках организма. Необходимо поэтому концентрировать усилия исследователей для того, чтобы использовать и реализовать те большие возможности, которые предоставляет этот метод.
Скорость выброса крови желудочками
Величина ускорения, которую может придать току крови левый желудочек от момента выброса до достижения пика скорости кровотока в аорте, является лучшим показателем функционального состояния миокарда. Простой ультразвуковой флоуметр с непрерывной посылкой ультразвуковых волн, основанный на допплеровском эффекте, может быть использован для определения изменений тока крови в сонной артерии. Для более точных измерений используется метод массивного облучения ультразвуком верхней части грудной клетки, позволяющий выявить с помощью допплеровского эффекта наиболее высокие скорости движения жидкости в этой части грудной клетки. Полагают, что именно таким образом можно точно определить скорость и ускорение кровотока в восходящей части аорты.
Определение скорости различных объектов с помощью импульсного ультразвукового флоуметра
Импульсный ультразвуковой флоуметр используется для определения скорости движения сердечных камер и стенок сосудов, а также скорости кровотока в них, что имеет важное значение для клиники. Так, например, при расположении датчика над ключицей и направлении ультразвукового луча вдоль грудной клетки внутрь ее можно определить скорость движения даже небольших порций крови, находящихся либо непосредственно около стенки аорты, либо в центре ее, либо на любых промежуточных расстояниях сечения сосуда между стенкой и центром его. Подобно этому можно изучить движение стенок легочной артерии и скорость кровотока в ней. Эта методика может быть успешно использована для определения локализации турбулентного течения крови, вызывающего сердечные шумы. Но наиболее важные результаты она может дать при исследовании распределения скоростей кровотока в больших сосудах, определения ударного объема, а также локализации нарушения кровотока, возникающих вследствие стеноза или закупорки сосудов.
Методика, использующая одновременно ультразвуковую эхолокацию и допплеровский эффект
Когда ультразвук используется для эхолокации мягких тканей, то полости кровеносных сосудов на экране катодного осциллографа выглядят как абсолютно темные пространства, так как кровь отражает ультразвук значительно хуже, чем стенки сосуда и другие ткани. Анатомический рисунок стенок кровеносных сосудов выступает на экране также недостаточно отчетливо. Рисунок образован пятнами и точками, а не плавной градацией линий и теней. Метод ультразвуковой эхолокации не позволяет точно определить и размеры сосуда вследствие двух причин. Во-первых, весь рисунок представляется бледным из-за недостаточной разрешающей способности методики. Кроме того, ранние стадии образования атеросклеротических бляшек создают помехи, прерывая рисунок и выступая темными пятнами вследствие низкой отражательной способности этих структур (напоминающих таковую у крови). Однако имеются возможности контурировать эту картину более точно, используя одновременно допплеровский эффект, возникающий при отражении ультразвуковых волн и дающий возможность локализовать даже маленькие порции движущейся крови. Комбинированное использование принципа эхолокации и допплеровского эффекта позволяет более четко определить конфигурацию сосудистого ложа в случае, если скорость движения крови в нем достигает некой необходимой критической величины. Накладывая изображение, полученное с помощью ультразвукового эхолокатора, на картину, которая возникает при использовании допплеровского эффекта, можно более точно обрисовать рисунок сосудистых стенок, что дает возможность, например, точно выявить место закупорки сосудов. Если подобная методика будет развита и усовершенствована, она позволит определять и локализовать место окклюзии или стенозы сосудов быстро, правильно и безопасно (см. главу VIII).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Физические свойства любой механической системы могут быть в общем описаны в терминах фундаментальных физических величин (размеры, время и сила) и их взаимоотношений. Процессы, протекающие в сердечно-сосудистой системе, во многих отношениях напоминают явления, имеющие место в физических гидравлических системах, однако представляются при этом более сложными и трудно доступными для точного количественного описания и прямого измерения. На основе достижений современной техники можно создать высокочувствительные регистрирующие устройства с достаточными частотными и другими характеристиками, чтобы точно отразить все быстро изменяющиеся процессы, протекающие в сосудистой системе. В высокой степени точные данные могут быть получены при использовании датчиков, приложенных непосредственно к сердцу или к сосудам во время хирургических операций. Данные, полученные таким образом, достаточны для того, чтобы изучить функцию различных регуляторных механизмов при тех или иных воздействиях в условиях острого эксперимента. Однако этого недостаточно, чтобы получить представление о том, как будут вести себя эти механизмы в нормальных условиях при естественном поведении животного. Хирургические операции, проведенные в асептических условиях, позволяют имплантировать в организм различные датчики, которые дают возможность проводить регистрацию функций сердечно-сосудистой системы в хроническом эксперименте при естественном поведении животного. Однако при этом экспериментатор получает большое количество постоянно меняющихся величин, по которым трудно судить о конкретном вкладе или степени участия каждого из регуляторных механизмов в интегральной регуляции функций сердечно-сосудистой системы. Окончательное решение проблемы возможно лишь при анализе данных, полученных в условиях как острых, так и хронических экспериментов.
Гемодинамические исследования давлений, перемещений и потоков возможно производить не только в остром эксперименте, но и в хронических опытах с помощью вживленных датчиков, а также в ряде случаев с помощью специальных устройств и у здорового, и у больного человека.
Клинические исследования величины минутного объема крови проводятся обычно посредством катетеризации сердца и сосудов на основе принципа Фика, техники разведения индикаторов или путем регистрации изменений размеров сердца с помощью рентгеновских лучей.
В основе метода Фика лежат, как известно, точные физические закономерности, однако достоверность полученных результатов в значительной мере зависит от степени влияния помех, связанных с постоянными колебаниями функциональных показателей, отражающих деятельность сердечно-сосудистой системы. Существенные ошибки возникают от того, что условия, определяющие функцию сердечно-сосудистой или дыхательной систем, не остаются постоянными.
Методика разведения индикаторов также основана на точных физических принципах, применимых, однако, лишь для определения скорости потока жидкости в простой системе трубок. Использование этого метода для определения минутного и систолического объема сердца возможно лишь при катетеризации сердца и сосудов.
Теоретически систолический объем крови, выброшенный сердцем, может быть определен посредством анализа кривой артериального пульса, однако при этом возникают многие источники ошибок.
Неоднократно предпринимались попытки использовать баллистокардиографию для измерения ударного или минутного объема сердца. Смещения тела, возникающие при каждом сердечном цикле зависят от скорости и силы сердечного выброса. Эмпирически выявлена некоторая зависимость изменений характера баллистокардиографической кривой от типа сердечной патологии.
Интенсивное развитие электронной техники позволило использовать ультразвук для определения локализации и движения внутренних органов и, в частности, величины и скорости кровотока. Этот метод представляется наиболее перспективным для хронических экспериментов на животных и для использования его в клинике. Бесспорно, что развитие его даст в будущем возможность весьма точно определять непрерывно изменяющиеся показатели функционального состояния сердечнососудистой системы с помощью простых, безопасных и не требующих каких-либо вмешательств в организм методик.
