Рентгенографические методы исследования сердца и кровеносных сосудов - динамика сердечно-сосудистой системы
Когда рентгеновские лучи проходят через грудную клетку, поглощение их зависит от плотности различных тканей, лежащих на пути прохождения луча. Наибольшей плотностью обладают кости грудной клетки, поэтому ребра и позвоночник контурируются на рентгенограмме наиболее отчетливо. Меньшей плотностью обладают сердце, кровеносные сосуды и, наконец, легочная ткань. Медики давно учли это обстоятельство и используют радиорентгенографию в различных модификациях, которые с развитием техники становятся все более удобными и безопасными как для пациента, так и для врача.
Методы рентгенографии
На рис. 2.9 представлены четыре метода рентгенографии. Каждый из них применяется для специальных целей. Однако все они могут дать представление о проекции сердца лишь на одну плоскость. Телерентгенография позволяет получить статическое изображение силуэта сердца и больших сосудов с большой разрешающей силой при маленьких смещениях и небольших дозах лучей. Изображение может изучаться детально, с помощью этого метода его можно получать повторно, но оно дает лишь общие представления о расположении и размерах сердца.
Флюороскопия и кинофлюорография упоминаются здесь потому, что сегодня они имеют лишь исторический интерес. Неудобство этих методов связано с малой разрешающей способностью и большой дозой облучения для пациента и врача. Для этих методов необходимы темная комната и темновая адаптация глаза исследователя, и все это требует затраты значительного времени и вызывает большие неудобства. Использование электронных фотоумножителей устраняет эти отрицательные стороны флюороскопии. Они позволят проводить исследования длительно для наблюдения работающего сердца в динамике. Разрешающая способность улучшилась, доза облучения уменьшилась до совершенно безопасных величин, а потребность в темной комнате или в темновой адаптации глаза отпала. Так как при этом расстояние между рентгеновским аппаратом и экраном небольшое, то на экране возникает увеличенная (примерно на 25%) тень сердца. Картина на экране может наблюдаться непосредственно или же на расстоянии с помощью телевизионного монитора, или может быть также зарегистрирована на магнитную пленку либо на кинофильм. Эта и другие методики регистрации изменения размеров сердца обсуждались на симпозиуме, посвященном итогам работы имплантированых в сердечно-сосудистую систему датчиков. Сравнительная оценка лучевого метода и качество различных преобразователей детально обсуждались в дискуссиях. Сигналы от этих преобразователей могут проводиться к регистрирующему аппарату с помощью либо проводов, либо маленьких радиопередатчиков, имплантированных в организм или же расположенных на поверхности тела.
Методики измерения размеров сердца у человека, не требующие имплантации датчиков
Имплантируемые датчики, используемые для изучения сердечной деятельности у экспериментальных животных, неприемлемы для клинических условий.
РИС. 2.9. МЕТОДЫ РЕНТГЕНОГРАФИИ.
При прохождении рентгеновских лучей через тело ткани поглощают их пропорционально степени своей плотности. Непоглощенные лучи при этом обрисовывают край внутреннего органа на рентгеновской пленке или на флюоресцирующем экране.
А.Телерентгенограмма. Чтобы получить ее. необходимо расположить источник лучей на расстоянии 6 футов от пластинки, при этом тень сердца будет почти не увеличена и близка по размеру к истинным диаметрам органа.
Б. Рентгеноскопия с помощью прямого наблюдения с флюоресцирующего экрана. Источник излучения близок к экрану и изображение сердца соответственно увеличено благодаря расхождению
ечения флюоресцирующего экрана. Изображение можно наблюдать непосредственно или же оно может быть передано на расстояние. При этом его можно непосредственно видеть на экране телевизора либо зарегистрировать на кинофильм или видеомагнитофон.
В. Кинефлюорография .Движущееся изображение сердца снято на кинофильм.
Г. Усиление изображения позволяет использовать небольшую энергию радиации- при этом телекамера способна зафиксировать весьма малые степени свечения рентгеновского экрана, а воспроизведение изображения на телевизионном экране может дать яркость в 1000 раз больше, чем первичная степень свечения флюоресцирующего экрана. Изображение можно наблюдать непосредственно или же оно может быть передано на расстояние. При этом его можно непосредственно видеть на экране телевизора либо зарегистрировать на кинофильм или видеомагнитофон.
Информация относительно изменения размеров внутренних органов без использования устройств, которые необходимо вводить внутрь организма, может быть получена обычно лишь с помощью лучей, проникающих через организм, среди которых рентгеновские лучи нашли наиболее широкое применение.
Размеры и очертания каждой из камер сердца можно наблюдать на рентгенограммах при инъекции в кровоток контрастных веществ, которые дают значительные тени на рентгенограммах, а при скоростной киносъемке позволяют видеть распространение краски через сердце и большие сосуды. Скоростные рентгеновские кассеты или кинофильм, снятый с рентгеновского экрана, позволяют непрерывно регистрировать
смещения сердца и изменение размеров его камер при каждом ударе сердца (см. рис. 2.9,В). Подобная киносъемка проводится синхронно в двух проекциях. Она дает информацию, достаточную для того, чтобы определить объем сердечных камер. Так, например, размеры и форма левого желудочка, снятого в двух проекциях—к концу диастолы и к концу систолы, позволяют определить величину систолического объема весьма точно, что нашло применение в клинической диагностике и в исследовательской работе. В таких исследованиях кинофильм, снятый в двух проекциях, позволяет воспроизвести кривую изменения объема желудочка, как это показано на рис. 2. 10,Б. Эта техника количественной ангиокардиографии детально обсуждается в главе X.
При обычной классической рентгенографии пациент подвергается воздействию значительных доз рентгеновского излучения, а так как повторное облучение приводит к кумуляции вредного действия рентгеновских лучей, то, естественно, подобное облучение нужно свести к минимуму. Скоростная рентгеновская киносъемка в двух проекциях требует длительного облучения пациента, поэтому в каждом конкретном случае возможность использования данной методики нуждается в специальном обсуждении. В добавок к этому быстрая инъекция рентгеноконтрастных веществ в сосудистое русло также представляет собой некоторый риск. Эти факторы, сочетаясь с необходимостью использовать громоздкое и дорогое оборудование, необходимое для этих исследований, представляют собой обстоятельства, заставляющие искать новые, более простые и более безопасные технические приемы для непрерывной регистрации изменения размеров сердца у человека. В этом отношении весьма перспективными являются методы ультразвуковой диагностики.
Регистрация размеров сердца с помощью ультразвука
Облатка или диск специального керамического кристалла обладает способностью производить короткую вспышку исключительно высокочастотных звуковых колебаний в случае, если на противоположные поверхности его внезапно подается разность электрических потенциалов. Поток колебаний потенциала, подаваемых с частотой, близкой к оптимальным частотам, которыми может генерировать кристалл, вызывает стойкий поток ультразвуковых колебаний, способных проходить через ткани тела со скоростью, близкой к скорости звука в морской воде. Эти ультразвуковые колебания улавливаются другим кристаллом, генерирующим соответствующую по частоте разность электрических потенциалов. Расстояние между кристаллами может непрерывно определяться по времени прохождения сигнала от одного кристалла к другому. Этот принцип имплантируемых ультразвуковых датчиков для измерения размеров сердца описан выше в разделе «Звуковая кардиометрия». Когда ультразвуковой луч проходит через ткани, часть энергии отражается в виде эха к источнику энергии от структур, расположенных по ходу луча в направлении, перпендикулярном к нему.
Edler и Hertz 20 лет назад показали, что посылки ультразвука, направленные в грудную клетку, могут отражаться от структур сердца, давая возможность непрерывно регистрировать положение и движение сердечных стенок, клапанов и кровеносных сосудов (см. Edler [10]). Третье устройство напоминает локатор, в котором пульсирующий звук, отражаясь от какой-то структуры, дает возможность определить расстояние к ней по времени прихода эха (что, например, давно уже используется на подводных лодках для определения глубины океана). 
РИС. 2.10. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ АНГИОКАРДИОГРАФИЯ.
А. Снимки сердца в переднезадней и боковой плоскостях в момент окончания диастолы и систолы позволяют точно вычислить объем левого желудочка очерчена и по наибольшей длине проведена диагональ. На верхнем левом снимке выделен участок, отражающий толщину миокарда во время диастолы. Конечный диастолический объем равен 156 мл, конечный систолический объем — 3G мл, разница между ними — ударный объем составляет 100 мл. Частота сердцебиений — 59 уд/мин, сердечный выброс, определенный ангиокардиографически, равен 5,9 л/мнн. Масса левого желудочка равна 80 г/м. Нормальная кривая, отражающая изменение размеров левого желудочка.
Б. Кривая, отражающая изменения объема левого желудочка, вычисленная при ангикардиографии, выполненной в двух проекциях при нормальном сердечном цикле. Максимальный объем регистрируется в момент появления зубца Р на ЭКГ, минимальный — после зубца Т (с любезного разрешения М. М. Figley, М. D).
Содержание информации, которая может быть извлечена из ультразвукового эха, может быть расшифровано различными типами электронных устройств. Простейшее устройство позволяет оценить время между посылкой луча и приходом луча на двухлучевом катодном осциллоскопе. Такие первые модели использовались для исследования преобразованных поверхностей отражения лучей в мозге для диагностики опухолей мозга. Если отражающая поверхность смещается по отношению к передатчику, то степень изменения расстояния соответственно смещает и дистанцию между прямым и отраженным сигналом рис. 2.11,а). Исследования сердца, проведенные с помощью этого метода, интерпретируются с большим трудом, так как направление прохода луча через сердце меняется. Динамику движения внутренних структур сердца легче интерпретировать путем регистрации изменения позиции отраженного луча на непрерывно движущейся с постоянной скоростью бумаге. В модели второго типа отклонение луча осциллоскопа превращается в различную степень свечения трубки, и таким образом на фотографической бумаге регистрируется эхо в виде большего или меньшего затемнения. Огромное количество физиологических и клинических данных получено с помощью этой сравнительно сложной техники: Edler [10], Fetgenbaum [ll],Gramiak и Shah [12], Popp и Harrison [13]. Обзор этих и многих других использующихся и потенциально применяющихся способов исследования приведен в труде, изданном Renneшаи [14].
Ультразвуковое изображение
В случае, если ультразвуковой луч проходит через ткани, отражение его в виде серии блестящих точек и полей может быть зарегистрировано на трубке осциллоскопа, обладающего памятью, представляя собой двухмерное изображение образа, отражающее расстояния, пройденные прямым и отраженным лучом. Эта картина широко используется для регистрации позиции, размеров и движения головки плода при родах. Попытки создания такого ультразвукового изображения при исследовании движения структур сердца на протяжении ряда сердечных циклов приводят к тому, что картина на экране осциллоскопа смазывается вследствие наложения результатов регистрации одного цикла на результаты регистрации другого. По-видимому, можно будет применить множество параллельных преобразователей, которые будут образовывать параллельные лучи, лежащие достаточно близко друг к другу для того, чтобы дать отчетливую картину структур сердца в двух измерениях, полученную только при регистрации единственного сердечного сокращения. 
РИС. 2.11.
А. Ультразвуковой импульсный локатор, периодически посылающий ультразвуковые волны в грудную клетку п воспринимающий волны, отраженные от различных тканей. Расстояние до них определяется по времени прихода отраженного импульса, которое регистрируется на электронно-лучевой трубке. Учитывая степень смещения отраженных лучей в разные промежутки времени, можно определить характер движения соответствующих органов и тканей. Образец записи иллюстрирует движения переднего и заднего лепестков митрального клапана, а также стенок желудочков и перегородки.
13. Ряд линий, возникающих вследствие регистрации отраженных параллельных ультразвуковых лучей, пропущенных через сердце. Эхо, отраженное структурами сердца, используется для получения двухмерного изображения стенок левого желудочка (по Roelandl et al., цит. по Renneman [14]).
Настоящие достижения в этой области таковы, что позволяют ожидать ощутимых результатов в этом направлении в обозримом будущем. Развитие указанной методики, по-видимому, осуществится с помощью применения огромного количества маленьких керамических кристаллов, которые будут продуцировать ультразвуковые посылки в запрограммированной последовательности для того, чтобы получить отраженные лучи в количестве и со скоростью, достаточной для того, чтобы на экране четко возникло изображение сердца и его внутренних структур в двух проекциях в виде объемной картины с такой четкостью, с которой сегодня кардиологи могут наблюдать внешние силуэты сердца при флюороскопии. Применение ультразвука не ограничивается регистрацией различных изменений и размеров, но может быть использовано и для регистрации скорости движения сердечной стенки, а также скорости движения крови в сосудах тела.
Измерение скорости кровотока
Важнейшей функцией сердечнососудистой системы является создание адекватной перфузии крови через различные ткани тела, чтобы обеспечить необходимый им уровень обмена (как показано в главе I). Полная картина деятельности желудочков и кровотока через сосудистую систему не может быть воспроизведена из данных измерений размеров сердца и давления крови. В то же время детальная информация относительно величины кровотока в каждом желудочке, а также в различных частях артериального и венозного русла абсолютно необходима для всесторонней оценки и контроля функций сердечно-сосудистой системы.
РИС. 2.12.
Схематически приведены различные способы определения кровотока, которые широко используются в клинической диагностике.
В клинических и физиологических исследованиях в последнее время используется широкий ряд различных устройств для измерения кровотока в сосудах. Обсуждение деталей конструкции этих приборов не входит в нашу задачу, однако некоторые конструкции флоуметров представлены схематически на рис. 2.12. Как видно из приведенных примеров, эти флоуметры разделяются на пять категорий.
Измерители объема. Если величина кровотока определяется изменением объема крови, смещающейся через сосуд в единицу времени (dV/dt), то для этой цели могут быть использованы, приборы, непосредственно определяющие изменение объема, такие, например, как плетизмограф, воспроизведенный на рис. 2.12 (в левом нижнем углу). Каждая из методик, приведенных в левом столбце рис. 2.12, использовалась в физиологических исследованиях, многие другие методические приемы такого же типа описаны в других статьях. Волюмометрический сосуд и, отметчик времени для калибровки флоуметра является обязательной частью прибора (такой же, как ртутный манометр для калибровки датчиков давления). Часы Людвига, пузырьковый флоуметр, счетчик капель и плетизмограф — все они способны измерять изменения объема, которые могут быть проградуированы в единицах объемной скорости кровотока. Для того чтобы непосредственно измерить объем крови, протекающий через участок сосудистого русла, необходима сложная хирургическая операция— перерезка и канюлирование сосудов. Примечательным исключением из этого является окклюзионный плетизмограф, способный регистрировать изменение объема конечности при прекращении оттока венозной крови, но сохранении артериального притока. Однако приборы этого типа могут применяться для регистрации кровотока лишь в некоторых участках периферического сосудистого русла.
Измерители энергии. Энергия движущейся крови может быть использована для измерения скорости кровотока, что и делается в таких приборах, как трубки Пито. Прибор, измеряющий изменение давления при протекании крови через суженное отверстие, ротаметр и волосковый флоуметр показаны на рис. 2.12. Эти приборы детально описаны во многих публикациях. Некоторые катетеры имеют на кончике флоуметры, они измеряют скорость кровотока по величине отклонения маленькой пластинки, введенной в поток крови. Скорость кровотока в артериях может быть непрерывно измерена путем регистрации градиента давления в потоке крови в двух участках артерии на известном расстоянии друг от друга с помощью двухлучевого катетера и точных датчиков давления (в соответствии с техникой, описанной Fry с сотр. [17]). Упомянутые методы исследования могут быть использованы в острых опытах на животных. Трубчатые катетеры можно применять для получения информации о динамических изменениях скорости кровотока у здоровых интактных животных, а техника с определением градиента давления может быть применена как у животных, так и при клинических исследованиях.
Непрямые измерения. Вполне достоверные данные относительно величины кровотока у человека можно получить, используя методы непрерывной регистрации изменений концентрации различных индикаторов в крови или тканях. В этой связи следует заметить, что термин «непрямые измерения» используется лишь для того, чтобы подчеркнуть, что регистрируется не собственно кровоток, а изменения концентрации каких-то индикаторов. Это различие, конечно, весьма произвольное. Ясно, что определение кровотока с помощью регистрации изменений концентрации красок, радиоизотопных индикаторов или растворенных газов вполне соответствует этому определению. Количество крови, необходимое для транспорта кислорода, поглощаемого легкими в течение минуты, может быть определено с помощью формулы Фика. Эта и другая техника, приемлемая в условиях клинических исследований, детально описана в разделе «Клинические определения сердечного выброса» (см. с. 80). Кровоток легко определяется при измерении транспорта кислорода или разведения красок. Эта методика имеет два общих недостатка: во-первых, кровоток определяют лишь однократно (в момент изучения транспорта данного индикатора), и поэтому быстрые динамические изменения величины кровотока не могут быть выявлены. Во-вторых, эти методы требуют введения игл или катетеров в кровеносные сосуды. Определение же величины кровотока посредством непрерывной регистрации давления в разных участках дуги аорты вызывает ряд серьезных теоретических и практических затруднений.
Методы, в которых используются измерения преобразования внешней энергии. Измерения скорости переноса тепла движущейся жидкостью широко используется для изучения скорости течения жидкости как в технике, так и в медицинских исследованиях. Анемометр с нагретой проволочкой практически представляет собой стандартный прибор для измерения динамики движения газов, но применение его с этой же целью для изучения движения жидкости представляет собой весьма серьезную проблему. Термочасы Рейна являются широко распространенным методом в физиологических исследованиях, однако точное измерение, проведенное Shipley,
Gregg и Warn, показало, что эта методика дает лишь качественные, а не количественные результаты. Так как тепло может быть легко генерировано и определяемо электронными схемами и так как температура может быть измерена термопарами или термисторами, то были разработаны очень многие модели термофлоуметров для наложения их на поверхность тела или для изучения внутренних структур. Однако эти устройства имели общий источник ошибок, связанный с тем, что тепло весьма быстро рассеивается и поглощается различными структурами тела и тканей. Другими словами, трудно определить, какая часть тепловой энергии переносится кровью, а какая часть ее рассеивается.
Электромагнитные и ультразвуковые флоуметры получили в последние годы широкое распространение в физиологических исследованиях и в клинике. Они способны регистрировать быстрое изменение кровотока в динамике. И так как с помощью них достигнут значительный прогресс в наших представлениях о кровообращении именно в последнее десятилетие, то в связи с этим данные методические приемы необходимо описать подробно.
Флоуметры, вводимые путем пункции и имплантации
Все методики флоуметрии, представленные на рис. 2.12, используются в острых экспериментах на животных. Значительным достижением последних лет была разработка флоуметров и специальных устройств для вживления в важнейшие участки сосудистого русла в хроническом опыте, чтобы получать непрерывную информацию относительно сердечного выброса и распределения крови в организме на протяжении длительного периода времени. Важное значение измерения кровотока схематически представлено на модели, приведенной на рис. 2.2.
РИС. 2.13.
А. Наибольшее распространение среди имплантируемых флоуметров получил электромагнитный флоуметр с датчиками, накладывающимися на артерию. Датчики, расположенные на верхушке катетера, вводимого в полости сердца или сосудов, регистрируют линейную скорость кровотока.
Б. Импульсный эхоультразвуковой флоуметр, датчик которого, приложенный к артерии (и прокалиброванный при пропускании через сосуд жидкости, текущей с постоянной скоростью), позволяет получить весьма ценные данные в условиях хронического эксперимента. Ультразвуковой флоуметр. основанный на регистрации допплеровского эффекта, также используется в подобных экспериментах и в отличие от эхо-флоуметра позволяет производить четкую установку нуля и калибровку. Тонкие керамические кристаллы, вмонтированные в верхушку катетера, позволяют получить точную информацию о скорости движения крови в сосуде по ходу ультразвукового луча.
Электромагнитные флоуметры
В электромагнитных флоуметрах регистрируется разность потенциалов, возникающая в крови при протекании ее через магнитное поле (рис. 2.13). Принято использовать эту методику для динамических измерений величины кровотока во время сердечного цикла в интактных сосудах. Результаты измерения кровотока этим методом имеют точность 5%, и сигналы заметно не меняются при изменении скорости протекающей крови. Имеются датчики различной формы и конфигурации, которые могут быть использованы на сосудах диаметром до 2 см и больше и менее 1 мм. В первых типах электромагнитных флоуметров для подмагничивания использовался постоянный ток, но при этом результаты были непостоянные вследствие развивающейся поляризации электродов. Более детальные сведения об этих типах датчиков можно получить из приложенных к приборам инструкций и работ по медицинской технике.
Имплантируемые ультразвуковые флоуметры
Измерения скорости кровотока в артериях или венах можно производить и с помощью ультразвуковых флоуметров. Если поместить два пьезокристалла на манжетке, окружающей сосудистый ствол, так, чтобы они располагались по диагонали по отношению к направлению кровотока, то время прохождения сигнала от кристалла к кристаллу в случае, если он будет направлен против течения крови, будет несколько больше, чем в случае направления сигнала по ходу кровотока, причем разница будет равна линейной скорости кровотока. Эти различия в скорости очень небольшие, но при создании частых ультразвуковых посылок (следующих с частотой ультразвука 400 имп/с) электронные устройства позволяют непосредственно определить реальную скорость кровотока в сосуде. Для определения скорости кровотока можно также использовать непрерывные ультразвуковые лучи или весьма редкие прерывистые посылки, но подобная методика не получила пока широкого, распространения.
Приборы, измеряющие кровоток с помощью допплеровского эффекта
Многие ткани способны отражать ультразвуковые волны. Одним из наиболее важных отражателей может быть кровь. Весьма полезным индикатором скорости движения клеток крови является метод изучения допплеровского эффекта. Общеизвестно, что, когда мы слушаем свисток или гудок, который издает быстро движущийся поезд или автомобиль, то высота звука внезапно изменяется после прохождения транспорта мимо наблюдателя. Длина звуковых волн более короткая в случае, если транспорт приближается к нам, и сразу же становится более длинной, если транспорт удаляется, так как скорость перемещения источинка звука прибавляется или отнимается от скорости распространения звуковых частот (допплеровский эффект). Подобно этому, если клетки крови двигаются, удаляясь от источника излучения ультразвука, отраженная ультразвуковая волна имеет большую длину (низшую частоту), нежели волна, генерируемая источником ультразвука.
При интерференции волн этих двух высокочастотных сигналов возникают определяемые на слух звуковые биения, характер которых точно отражает скорость кровотока в сосуде в нормальных условиях. Сдвиг частот зависит от скорости движения частичек крови и угла, образованного траекторией движения этих частичек и направлением ультразвуковых волн. Хотя подобные приборы дают лишь относительное представление об объемной скорости кровотока в сосудистой системе, они играют важную роль в клинике при оценке изменений скорости течения крови, что очень важно для определения возможности местных нарушений кровотока (как показано в главе VIII). Эта методика важна потому, что позволяет определить скорость движения не только крови, но и стенок сердца, клапанов и других структур внутри нашего организма с помощью простых преобразователей, которые накладываются на поверхность тела (на кожу). Хотя возможности ультразвуковых флоуметров несколько ограничены по сравнению с таковыми электромагнитных флоуметров, с помощью их было получено большое количество ценной информации. Эти приборы позволили изучить спонтанные и вызванные изменения функции сердечно-сосудистой системы в опытах на собаках с хронически вживленными датчиками (эти данные приведены ниже во многих главах).
В последние годы миниатюрные пьезокристаллы монтируются непосредственно на кончике катетера, что позволяет регистрировать скорость кровотока с помощью ультразвуковых волн, генерируемых непосредственно в полости сосудов. С помощью таких катетеров зарегистрированы пульсовые изменения скорости кровотока. Однако характер этих изменений достаточно сложен и упомянутая методика не позволяет получать данные о пульсовых изменениях скорости кровотока, столь достоверные как, например, результаты регистраций объемной скорости кровотока.
