Измерение давления в сердечно-сосудистой системе - динамика сердечно-сосудистой системы
Измерение давления в пульсирующих камерах, притока и оттока жидкости в сосудах является наиболее важным для определения состояния простых гидравлических систем (как показано на рис. 2.2). Исследование венозных, предсердных, желудочковых и артериальных давлений очень важно при изучении кровообращения. Регистрация состояния и малых изменений давления производится путем простых манометров с вертикальным столбом жидкости, обладающей известным весом. Такие манометры широко использовались для измерения венозного давления в прошлом. Быстрые колебания в камерах желудочков и в больших артериях могут быть точно зарегистрированы только с помощью высокочастотных манометров. Наличие этих колебаний определяет необходимость датчиков с соответствующей чувствительностью для регистрации быстрых изменений давления (которые могут быть представлены в терминах, характеризующих и простые механические системы).
Механические преобразователи давления
В простейшем случае механические преобразователи давления, или механические манометры, представляют собой барабанчики с эластической мембраной, соединенные с пишущим рычажком. Если мембрана натянута очень слабо, весьма малые изменения давления могут смещать ее и пишущий рычажок (рис. 2.4).
РИС. 2.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ.
В различных типах механических манометров изменения давления вызывают смещение эластической мембраны, которые с помощью системы рычагов регистрируются на движущейся ленте кимографа. Для того чтобы сместить мембрану, жидкость должна поступать в монометр. Инерция жидкости из мембраны, а также регистрирующие рычагов мешает смещению. В случае, если величина движущейся массы является большой, г мембрана — не жесткой, регистрирующая система весьма чувствительна к малейшим колебаниям давления, но не может отвечать на быстрые изме нения давления. Уменьшая величину движущейся массы и используя более жесткую мембрану, можно снизить чувствительность, но улучшить частотные характеристики манометра.
При повышении давления значительные количества жидкости должны передвигаться вдоль трубок и поступать в барабанчик, чтобы вызывать соответствующее смещение мембраны и пишущего рычажка. Инерция жидкости и рычажка противодействует быстрым смещениям при быстрых колебаниях давления, а слабо натянутая эластическая мембрана развивает относительно очень небольшие силы, необходимые для возвращения жидкости и рычажка к исходному уровню, когда давление падает. Следовательно, такая система не может колебаться достаточно быстро для того, чтобы произвести истинные колебания величины артериального давления. Естественная частота колебаний механических манометров может быть представлена наглядно в виде массы, подвешенной к жесткой пружине. Чем меньше масса и чем жестче пружина, тем быстрее осцилляции, которые возникают после смещения первоначального уровня (см. также главу II). В случае, если масса жидкости и рычажка является большой по отношению к напряжению мембраны, осцилляции оказываются медленными. Если же мембрана натянута очень сильно, частота колебаний возрастает. Чувствительность, т. с. степень отклонений, возникающих при определенном изменении давления, соответственно падает.
Более полное описание различных механических манометров было предпринято Cobbold.
В наш электронный век не удивительно то, что слабые движения жесткой мембраны манометра могут быть использованы для генерации колебаний электрического поля, которые можно усилить и зарегистрировать. Различные типы электронных манометров могут быть разбиты на несколько групп: 1) тензометры- 2) конденсаторные манометры;
- индуктивные манометры (рис. 2.5).
Видео: Как можно быстро понизить давление
В каждом случае жесткая мембрана, требующая для регистрации смещения весьма малых объемов жидкости и обладающая достаточно высокой собственной частотой колебаний, благодаря усилителям дает достаточно мощные сигналы, которые могут быть зарегистрированы различными типами осциллографов.
РИС. 2.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ.
А. Тензионные манометры состоят из металлического снльфона, который сдавливается при повышении давления внутри камеры. Продольное смещение сильфона передается металлической пластинке, соединенной с 4 тонкими металлическими проволочками, из которых 2 растягиваются, а 2 другие сжимаются при движении пластинки. Проволочки составляют четыре плеча мостика Уитстона. Растяжение и сжимание проволочек меняют их электрическое сопротивление и вызывают разбалансировку моста, пропорциональную величине приложенного давления. Разность потенциалов, возникающая при этом на плечах моста, пропорциональна давлению- она усиливается и регистрируется различными приборами.
Б. Электронный емкостный манометр представляет собой конденсатор, образованный двумя пластинками: неподвижной (черной) и подвижной, представляющей собой металлическую мембрану манометра. Пластинки разделены тонким слоем воздуха, являющегося диэлектриком, вся конструкция представляет собой конденсатор, емкость которого увеличивается при смещении мембраны манометра под влиянием давления в сторону неподвижной пластинки. Изменение емкости регистрируется электронной схемой (по Lilly, Rev. Sci. Instruments, 1942, 13—34).
В. Изменение величины магнитного поля в двух катушках проволоки может быть вызвано движением железного сердечника внутри катушек. В дифференциальном индуктивном манометре железный сердечник крепится в центре эластической мембраны, и таким образом изменения давления меняют величину магнитного потока (по Gauer, Gienapp, Science, 1950, 112, 404).
Идеальной системы для регистрации давления не существует. В каждом конкретном случае необходимо подобрать оптимальный для данных условий манометр. При этом иногда приходится поступаться чувствительностью, удобностью, стабильностью или частотной характеристикой.
Следует подчеркнуть, что значимость частотных характеристик нередко игнорируется даже в физиологических экспериментах, предпринимаемых в последнее время.
Частотные характеристики регистрирующих систем
Считается общепризнанным, что удовлетворительная регистрация будет получена в том случае, когда частотная характеристика регистрирующей системы на один порядок превышает основную частоту изменений регистрируемого процесса. Например, при частоте сердцебиений 240 ударов в минуту частота пульса равна 4 ударам в секунду и десятикратное увеличение частоты будет равно 40 кол/с.
РИС. 2.6. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ ПРИБОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ.
Необходимо тщательно исследовать ответы регистрирующих систем на колебания давления, происходящие с различной частотой, и на собственную частоту колебаний регистрирующих систем. Система А отличается большой массой жидкости, трубками большого диаметра и легко смещаемой мембраной. Такая система весьма чувствительна к изменениям давления, но генерирует собственные длительно не затухающие колебания. Если подавать на эту систему колебания давления постоянной амплитуды, но плавно возрастающей частоты, то на выходе будет регистрироваться вначале возрастающая амплитуда колебаний давления, достигающая максимума при частотах, близких к собственной частоте колебания системы, вследствие резонанса, а затем возникает резкое падение регистрируемой амплитуды колебаний. Частотная характеристика системы может быть получена более простым путем при внезапном повышении или внезапном падении давления в виде П-образной волны. При этом в ответ как на повышение, так и на внезапное падение давления регистрирующая система ответит затухающими осцилляциями— колебаниями давления с частотой, соответствующей ее собственной частоте колебаний. Регистрация кривой артериального давления с помощью данной системы будет весьма недостоверной.
Система Б отличается жесткой мембраной и частичной способностью к демпфированию. Волны давления одинаковой амплитуды вызовут ответы в виде одинаковой высоты регистрируемых колебаний на протяжении значительно большего промежутка частот. Однако при этом амплитуда колебаний кривой регистрации резко падает до нуля в случае, если частота подаваемых колебаний превысит собственную частоту колебаний. При подаче на систему колебаний давления величина подъема и спада регистрируемой кривой будет большей, а помехи, званные собственными колебаниями системы, дут более короткими, чем в системе A.. Taк систему можно с успехом использовать для регистрации кривой артериального давления, учитывая при этом возможность искажения записи лишь области частот, близких к собственным частотам колебания системы. Однако перед каждой регистрацией и в процессе ее необходимо проверять систему подачей волн давления квадратной формы, потому, что попадание пузырьков I духа в систему резко делает характеристики систем близкими к таковым у системы А.
В системе В мембрана более подвижна, чем системе Б, но система В обладает при этом выраженной способностью к демпфированнию. Иными словами, регистрируемая ею кривая соответствует подаваемым на вход колебаниям в в широкой полосе частот. Подача волны П-образной формы вызывает ответы близкие к истинным колебаниям давления с очень маленькими забросами рычажка в момент крут подъема и крутого спуска давления (при отсутствии записи собственных колебаний системы), такая система наиболее точно воспроизводит характер пульсовых колебаний давления в артерияхi при 10 колебаниях в секунду и даже при 20 (согласно концепции Lambert Е. Н., Jones R, Ргос. Staff. Meet Mayo Clin., 1948, 23, 487—493).
Именно такая собственная частота колебаний регистрирующего устройства может считаться минимальной для получения удовлетворительной записи.
Хотя частотные характеристики датчика, преобразователя, гальванометра могут быть измерены индивидуально, важно исследовать частотную характеристику всей системы в целом. Когда датчик давления соединен с катетером, наполненным жидкостью, или с иглой, вводимой в сосуд, частотная характеристика устройства значительно снижается. Жидкость обладает массой, которая должна колебаться, и инерция этой массы значительно снижает частотные характеристики устройства. Когда мембрана манометра смещается при повышении давления, ее эластичность должна быть преодолена инерцией всей массы жидкости внутри соединительных трубок. Масса жидкости может быть уменьшена при использовании трубок меньшего диаметра, но лишь ценой повышения сопротивления (вызванного трением, возникающим при движении жидкости). Таким образом, некоторая часть энергии давления рассеивается и теряется для преодоления трения при движении жидкости внутри трубок. Повышение этого сопротивления формирует демпфирующие свойства системы. Тщательный подбор частотных характеристик системы и оптимальной величины демпфирования может значительно улучшить характеристику всей аппаратуры в целом (рис. 2.6). Демпфирования можно достигнуть, уменьшая диаметр катетера и соединительных трубок, либо путем местного сужения трубки или введением в систему короткого отрезка трубки уменьшенного калибра. Частотную характеристику и степень демпфирования любой системы необходимо испытать по методике, приведенной на рис. 2.6. Эта процедура позволит исключить неточные записи, вызванные временным нарушением соответственных характеристик системы. Так, например, маленькие пузырьки воздуха, остающиеся в трубках в манометре после наполнения их жидкостью, снижают частотную характеристику системы до очень низкого уровня, так как воздух обладает значительно большей эластичностью, нежели мембрана манометра.
Артефакты, возникающие при движении сердечного катетера
РИС. 2.7.
Миниатюрные манометры, используемые для имплантации в полости сердца и сосуды в хронических экспериментах. Содержат жесткую мембрану, на которой укреплены тензометры, состоящие из тоненьких проволочек, сопротивление которых меняется при смещении мембраны и обладающих весьма высокой чувствительностью и хорошими
частотными характеристиками. При расположении миниатюрных датчиков па верхушке катетера исчезают помехи, обычно возникающие в случае, если давление передается на манометр, расположенный снаружи через длинный столб жидкости, заполняющий катетер.
Давление из полостей сердца и больших сосудов часто измеряется посредством введения в них катетеров. Кончики катетера смещаются внутри сердца в ритме сердечных сокращений. Эти смещения вызывают появление артефактов, которые накладываются на кривую давления и нередко достигают амплитуды, равной 10 мм рт. ст. Величина этих артефактов значительно возрастает при использовании системы с высокой собственной частотой колебаний и оптимальных величинах демпфирования. Величина систолического и диастолического давления может быть довольно точно измерена и системами с низкой собственной частотой колебаний, но быстрые колебания давления при этом искажаются. При повышении интереса к динамическим свойствам сердечного выброса (см. рис. 3.16, 3.30) скорость изменения давления (которая определяется по крутизне наклона кривой) приобретает огромное значение. Так, например, максимум скорости изменения давления в левом желудочке в норме у собаки в состоянии покоя колеблется от 2000 до 6000 мм рт. ст. в секунду, а под влиянием адреналина крутизна может достигнуть величины 15 000 мм рт. ст. в секунду. Скорость изменения давления и кровотока, определяемая по степени наклона кривой, приобретает большое значение при оценке функциональных свойств миокарда желудочков у здоровых и больных. Регистрирующие системы должны обладать для этого исключительно высокой частотой собственных колебаний, оптимальным демпфированием и наличием минимальных артефактов. Эти результаты могут быть достигнуты при использовании миниатюрных датчиков давления, которые находятся непосредственно на вершине катетера (внутри сердца). Доступность и возможность использования их будут возрастать по мере увеличения выпуска и усовершенствования этих устройств.
Миниатюрные датчики давления
Внутрисосудистое давление может быть зарегистрировано через катетеры во время катетеризации сердца, что может быть зарегистрировано и использовано для непрерывного наблюдения. Артефакты, возникающие вследствие наличия длинного столба жидкости в катетере, пузырьков воздуха в нем, положения кончика катетера, нередко искажают кривую и затрудняют расшифровку. Современная техника миниатюризации позволяет изготовить очень маленькие датчики для физиологических и клинических исследований. Эти датчики с весьма чувствительными элементами, включающими малую мембрану на конце проволочки или катетера, разработаны для хронической имплантации у экспериментальных животных (собак или обезьян) для длительного наблюдения за давлением во время их свободного поведения.
Маленькие датчики с наружным размером не больше, чем диаметр катетера, умещаются на его верхушке для точной регистрации давления внутри сердца или больших сосудов (рис. 2.7). При этих условиях запись является довольно точной, а волнообразные изменения давления регистрируются без помех, так как источники их устранены. Однако такие ультраминиатюрные приборы являются пока очень хрупкими и, к сожалению, еще малодоступными.
Видео: Передача 2. Сердечно-сосудистая система. Как измерить артериальное давление? Часть 1
РИС. 2.8. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЛЕВОГО ЖЕЛУДОЧКА ПРИ СОКРАЩЕНИЯХ СЕРДЦА.
А. Во время диастолы все размеры возрастают быстро в начале и более постепенно в течение последующей части периода наполнения. Сокращение предсердий вызывает небольшое добавочное увеличение объема. В начале систолы внутренний диаметр (А), внешняя окружность и длина (Б) резко возрастают, в то время как внутренняя длина (В) во время этого интервала, названного периодом изометрического сокращения (Г), укорачивается. Такое увеличение наружной окружности вызвано утолщением толстых стенок желудочка во время этого периода, которые, сокращаясь, выбухают, как и весь желудочек, и принимают шарообразную форму.
