Тема 1. Введение в медицинскую электронику
Общие сведения о медицинской аппаратуре.
Этапы развития медицинской аппаратуры.
Определение и компоненты медицинской аппаратуры.
Основные характеристики медицинского прибора.
Определение и измерение физиологических переменных
Типы преобразователей и приборов
Безопасность при работе с медицинскими электронными приборами.
Общие сведения о медицинской аппаратуре
Медицинские электронные приборы применяются в самых различных областях медицины. Это проведение клинических исследований пациентов с самой различной патологией, изучение показателей, характеризующих работу различных органов и систем не только в какой-то определенный момент времени, но и в течение самых различных временных промежутков. Это мониторное наблюдение за основными параметрами жизнедеятельности человека в условиях реанимационных отделений, при проведении оперативных вмешательств, в условиях транспортировки пациента в лечение учреждение и пр. Медицинские электронные приборы применяются для оказания неотложной помощи, лечения различных заболевания и состояний.
Предназначением медицинской аппаратуры является
- измерение физиологических переменных
- контроль состояния основных физиологических функций организма
- объективизация состояния пациентов
- коррекция нарушенных функций различных органов и систем организма
- лечение и диагностика заболеваний
- обеспечение безопасности пациентов при проведении исследований
Области применения медицинской аппаратуры:
Реанимационные отделения, отделения интенсивной терапии, операционные – для мониторного контроля основных жизненных функций
Рис.1.1. Оснащение современной операционной.
Отделения функциональной и ультразвуковой диагностики, рентгенотделения, отделения эндоскопии, клинико-диагностические лаборатории, физиотерапевтические отделения и кабинеты поликлиник и стационаров – для диагностики и лечения заболеваний.
Медицинская экспертиза для объективизации отдельных состояний
Проведение скриннинговых исследований в отделениях и кабинетах медицинской профилактики, здорового образа жизни.
Этапы развития медицинской аппаратуры
Перед учеными, занимающимися изучением различных физиологических параметров человеческого организма, во все времена стояла задача их отображения. Уже в девятнадцатом веке и начале двадцатого века были разработаны приборы для изучения дыхательных объемов, записи кривых пульса крупных сосудов, изучения звуков и электрических явлений, возникающих при работе сердца, выполнены первые рентгенограммы.
Метод измерения дыхательных объемов или спирометрия был предложен в 1846 году Гетчинсоном. В России первые спирометрические исследования были выполнены в Казани в 1860 году Добрыниным. Спирометр Гетчинсона, состоит из двух градуированных цилиндров, емкостью 6-7 л, в наружный, заполненный до верхнего края водой, опрокинут дном кверху внутренний цилиндр, уравновешиваемый специальными гирями. В полости цилиндра укреплялась специальная трубка, внутренний конец которой находился на уровне воды, заполнявшей первый цилиндр, а наружный соединялся со специальным мундштуком, через который испытуемый делал выдох. Объем воздуха поднимал полый цилиндр, тем самым проводилось измерение дыхательного объема.
Рис. 1.2. Спирометр Гетчинсона: 1 шкала; 2 — колокол; 3 — мундштук
Спирометр Гетчинсона применялся вплоть до средины двадцатого века для диагностики заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой системы. В настоящее время имеются различные модификации спирометров, предназначенные для измерения не только дыхательных объемов, но и газового состава крови.
Изучение звуков, возникающих при работе сердца, представляло интерес с точки зрения диагностики заболеваний миокарда и клапанного аппарата. Известно, что сердце является генератором звука со сравнительно низкой частотой собственных колебаний, окруженным проводящей звук средой. История фонокардиографии связана с техническим прогрессом записи звуковых явлений. Попытки регистрации звуковых явлений описаны начиная с конца девятнадцатого века, в 1881 году. Немецкий ученый физиолог Виктор Гензен пытался регистрировать звуковые явления, возникающие при работе сердца чисто механическим путем, однако его метод не получил развития вследствие низкой чувствительности.
В последующем для регистрации звуковых явлений использовались оптические методы регистрации . Уловленные фонендоскопом звуковые колебания передавались капсуле Марея с наклеенным на нее зеркальцем, движения которого регистрировались. Заслугой другого немецкого ученого физиолога К. Гюртле было применение микрофона. Кроме оптических применялись и электрические методы регистрации звуковых явлений сердца. Звуковые явления трансформировались в электрические и записывались при помощи гальванометра.
Одним из первых медицинских электронных приборов, который сохраняет свою значимость вплоть до настоящего времени, можно назвать прибор для изучения электрических явлений возникающих при работе сердечной мышцы – электрокардиограф. Экспериментальные измерения электрических потенциалов сердца животных проводились со средины девятнадцатого столетия. Первую электрокардиограмму человека зарегистрировал при помощи ртутного электрометра англичанин Уоллер в 1887 году. Он первым предложил термин «электрокардиограмма», который широко используется до настоящего времени. Уоллер рассматривал электрокардиограмму с позиций биофизики – как проявление потенциалов электрического поля сердца, генерируемого кардиогенератором в объемном проводнике, а также разработал гипотезу о дипольном биоэлектрическом генераторе сердца.
Основоположником клинической электрокардиографии принято считать голландского врача Вильяма Эйнтховена, который впервые в 1903 году зарегистрировал электрокардиограмму при помощи струнного гальванометра. Эйнтховен впервые обозначил основные зубцы электрокардиограммы (P, QRS, T), обосновал рациональность применения двухполюсных отведений от конечностей (I, II, III), разработал гипотезу треугольника Эйнтховена, описал принципы и основные критерии трактовки стандартной электрокардиограммы, предложил систему передачи ЭКГ по телефону. За достижения в области электрокардиографии в 1924 году был удостоен Нобелевской премии.
Рис. 1.3. Оригинальный кембриджский электрокардиограф (1912 год) изготовленный по соглашению с профессором В. Эйнтховеном
В 1895 году Конрад Рентген изучая прохождение электрического тока высокого напряжения через разреженный газ внезапно обнаружил излучение, впоследствии названное его именем. Оно обладало удивительным свойством проникать через тела и предметы, не пропускающие видимый свет. На этом свойстве был основан новый метод исследования – рентгенологический. Он заключается в пропускании пучка рентгеновского излучения через исследуемый объект с получением своеобразного теневого изображения этого объекта на флюоресцентном экране или на пленке. Метод применяется для диагностики заболеваний практически всех органов и систем тела человека.
Существенным стало использование рентгеновских лучей для измерения размеров, конфигурации и движений сердца. Экраны с фотоумножителями, скоростная сьемка, комбинированная с введением контрастных веществ, позволили осуществить ангиокардиографию, коронарографию, которая стала богатым источником для детальной информации относительно структуры и функции отдельных камер сердца, состояния коронарных сосудов. Катетеризация сердца и сосудов позволила получить ряд точных количественных данных относительно изменений давления, содержания кислорода и других веществ в крови.
В пятидесятые годы прошлого века многие инженеры и техники, работающие в промышленности, начали модифицировать имеющиеся электронные приборы для использования в медицине. Одним из примеров являются ультразвуковые медицинские аппараты, имеющие в основе эхолокацию. Использование ультразвука дало возможность получать информацию о локализации и движении различных внутренних структур сердца, сосудов и крови (расположенных далеко в глубинах тела). Все эти методические приемы значительно расширили представления о функциях сердца и сосудов организма в норме и патологии. Современные инструментальные методы позволяют производить синхронную регистрацию ряда показателей с помощью чувствительных воспринимающих устройств. Они могут быть использованы в хронических экспериментах путем имплантации различных датчиков. Ультразвуковые медицинские электронные приборы применяются и для изучения состояния других органов и систем, а также сосудистой системы человеческого тела.
В шестидесятых годах в медицинских электронных приборах начинают применяться компьютерные технологии. С этого времени начинается своеобразный период «большого взрыва» в области развития различных медицинских электронных приборов. В настоящее время использование биоэлектрической аппаратуры не является исключительной привилегией исследователей или различных экспертов, которые выполняют исследования в области электрокардиографии, электроэнцефалографии, радиологии, ультразвуковой диагностики и пр. В настоящее время жизнь любого медицинского учреждения немыслима без применения диагностических медицинских приборов, предназначенных для оценки физиологических параметров, полученных с их помощью, а также без медицинского электронного оборудования, предназначенного для лечения пациентов.