Стимуляция

В состав некоторых приборов входят средства для формирования, подачи к пациенту и управления сигналами стимуляции. При измерении, например, времени нервной проводимости необходима электрическая стимуляция (легкий удар током). Отклик на стимуляцию (мускульная реакция или активность другой части нервной системы) измеряется соответствующим преобразователем и результаты отображаются на экране осциллографа.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА

Ф

Рисунок 1. Структурная схема медицинского прибора

ункционирование прибора часто описывают с помощью структурной схемы. В такой схеме каждый квадрат или блок соответствует узлу прибора. Стрелки указывают направление передачи сигнала или информации между блоками. Структурная схема на рисунке демонстрирует основные компоненты медицинского прибора. Здесь стимулирующее воздействие приложено к телу пациента. Преобразователь (иногда их несколько) воспринимает измеряемый физиологический показатель и формирует электрический сигнал, который модифицируется в блоке обработки сигнала. Модифицированный сигнал преобразуется с помощью дисплея в воспринимаемую информацию. В тех случаях, когда для получения необходимого набора измерений используется более одного прибора, формируется система приборов. Она может включать в свой состав несколько преобразователей, набор блоков и устройств обработки сигналов и различные устройства отображения. Часто информация от нескольких преобразователей записывается на соседних дорожках одного и того же самописца или отображается на одном экране осциллографа. Измеренные данные от каждого преобразователя образуют канал информации. Система приборов может также включать в свой состав аппаратуру (например, магнитофон) для регистрации информации, поступающей по нескольким каналам, которая позволяет в дальнейшем при необходимости воспроизвести ее.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРА

ДИАПАЗОН

Диапазон прибора - полный набор значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор в нормальном режиме функционирования. Для прибора, измеряющего физиологические показатели, диапазон простирается от наименьшего значения показателя, которое прибор способен точно измерить, до наибольшего. Например, для монитора ритма сердца диапазон от 0 до 250 ударов в минуту. При этом можно ожидать, что такой прибор будет правильно измерять и указывать любое значение ритма сердца между этими двумя пределами.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Существует два толкования термина чувствительность, которые используются для описания медицинских приборов. Прежде всего, это способность прибора измерять и обнаруживать малые изменения измеряемых показателей. Более чувствительный прибор способен обнаруживать и отображать меньшие изменения показателя, чем менее чувствительный. Чувствительность прибора частично зависит от разрешения дисплея. Разрешение - это способность индицировать наименьшие изменения, которые могут быть считаны с дисплея. Например, если в качестве дисплея используется стрелочный прибор, то прибор, имеющий большую шкалу с хорошо различимыми рисками между цифрами, позволяет производить отсчеты значительно точнее, чем прибор с небольшим стрелочным индикатором, и следовательно, имеет более высокое разрешение.

Другое определение чувствительности связывает значение измеряемого физиологического показателя с размерами бумажной ленты самописца или с высотой регистрируемой кривой на. экране осциллографа. Дисплей монитора, например, может иметь чувствительность 1 мВ напряжения на каждый сантиметр высоты кривой ЭКГ на экране. Зная чувствительность, легко определить, что кривая, имеющая на экране высоту зубца R 3 см, отображает ЭКГ, в которой максимальная высота зубца R 3 мВ. Часто предусматривается регулировка чувствительности (с соответствующим обозначением на ручке «Чувствительность»), позволяющая подстраивать чувствительность прибора.

ТОЧНОСТЬ

Точность прибора - это его способность точно указывать истинное значение измеряемого показателя. Точность означает также отсутствие ошибок, хотя она иногда выражается через максимальную ошибку, которую может допустить прибор. Ошибка (погрешность) определяется отклонением значения, указываемого прибором, от истинного значения измеряемого показателя. Точность не надо смешивать с разрешением. Возможность считывать с цифрового дисплея отсчеты с четырьмя цифрами еще не гарантирует, что точность прибора будет высока.

Рис.2 ЭКГ со стандартным калибровочным импульсом

ЛЕГКОСТЬ КАЛИБРОВКИ

Калибровкой называется процедура, с помощью которой прибор настраивают так, чтобы его показания как можно точнее соответствовали истинным измеряемым значениям. Иногда калибровка выполняется с помощью измерения величин, истинные значения которых известны точно, и соответствующей регулировки прибора. Приборы другого типа калибруют, сравнивая показания прибора с показаниями другого вочным импульсом прибора, который служит образцом, эталоном или стандартом. Калибровка одних приборов производится легко, а для калибровки других необходимо выполнить, трудные и длительные процедуры. Соответствующая калибровка прибора значительно повышает его точность. На рисунке 2 показана ЭКГ с калибровочным стандартным прямоугольным импульсом амплитудой 1 мВ. Напряжение в любой точке можно - точно определить, сравнив его с напряжением калибровочного импульса. Однако для этого прибор должен быть отрегулирован так, чтобы вершина калибровочного импульса с амплитудой 1 мВ на графике соответствовала определенному уровню.

СТАБИЛЬНОСТЬ

Однажды откалиброванный прибор будет сохранять точность лишь такой период времени, в течение которого не происходит отклонений от условий калибровки. Постепенное ухудшение точности после калибровки называется дрейфом прибора. Стабильность прибора - это его способность сохранять точность в течение заданного времени после калибровки. Стабильный инструмент редко требует повторной калибровки, а прибор с плохой стабильностью необходимо калибровать часто.

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН

Одни физиологические показатели изменяют свои значения быстро, а другие медленно. Многие показатели, такие как ЭКГ, отражают и быстрые, и медленные изменения. Поэтому медицинский прибор должен отслеживать быстрые и медленные изменения. Сложный колебателный процесс можно охарактеризовать диапазоном или полосой частот. Частота выражается в циклах в секунду или герцах (Гц). Полоса частот, в котором прибор способен отслеживать изменения измеряемой величины, составляет его частотный диапазон. Таким образом, частотный диапазон прибора должен соответствовать полосе частот, в которую попадают все изменения измеряемой величины. Это основное условие адекватного представления показателя.

ОТСУТСТВИЕ ШУМОВ И НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ПОМЕХ, АРТЕФАКТОВ)

Сигнал, поступающий от преобразователя - изменения напряжения, соответствующие измеряемой -информации. Однако наряду с сигналом в этом напряжении часто присутствуют и другие изменения. Эти нежелательные изменения, обычно называемые шумом, интерференцией, помехами или артефактами, также участвуют в формировании результирующего сигнала, появляющегося на дисплее.

Артефакт представляет собой любое искусственное изменение измеряемого показателя, такое, например, которое возникает на ЭКГ при движении пациента. Если в качестве дисплея используется экран монитора, то помехи могут проявиться в виде высокочастотных изменений, наложенных на кривую, что придает изображению «пушистый» вид. В стрелочных приборах или в некоторых других типах дисплеев интерференция может привести к ошибочным измерениям.

Могут существовать различные источники шумов и интерференции. При измерении ЭКГ, электроэнцефалограммы (ЭЭГ) или других биоэлектрических потенциалов тело пациента может действовать в качестве антенны и улавливать энергию с частотой 50 Гц от электроламп, электропроводки или от другого электрооборудования. Эта энергия с частотой 50 Гц может также улавливаться длинными входными кабелями прибора.

Шумы могут появляться из-за воздействия линий питания аппаратуры или генерироваться внутри самой аппаратуры. Преобразователь наряду с измеряемым показателем может улавливать и другие нежелательные при данном измерении показатели. Если, например, электрод ЭКГ размещен над мышцей, то активация этой мышцы может вызвать наложение нежелательного сигнала электромиограммы (ЭМГ) на ЭКГ.

В некоторых приборах предусмотрены специальные меры для устранения или ослабления воздействия определенных видов шумов или интерференции. Во многих случаях хорошее знание прибора позволяет оператору принять определенные меры для уменьшения интерференции.

УДОБСТВА ДЛЯ ПАЦИЕНТА И ЕГО БЕЗОПАСНОСТЬ

При измерении физиологических показателей часто бывает необходимо ввести или подсоединить преобразователь к такой точке организма, где эти показатели можно измерить. Многие физиологические показатели можно измерять, размещая преобразователь вне тела или на поверхности кожи. Измерения такого типа называют неинвазивными (невторгающимися). Некоторые измерения требуют инвазивных (вторгающихся) методов - преобразователь или катетер размещают внутри тела. Например, при прямом измерении артериального давления катетер с преобразователем следует ввести внутрь артерии. Введение преобразователя в тело обычно связано с определенным риском для пациента, поэтому этот метод рассматривают как дискомфортный. Следовательно, если это возможно, предпочтительнее проводить измерения с помощью неинвазивных методов. Если, однако, неинвазивные методы применить нельзя, нужно использовать инвазивные.

Прибор, предназначенный для выполнения исследований с введением преобразователя внутрь тела, должен удовлетворять определенным требованиям. Он должен выдерживать стерилизацию, по возможности минимизировать травмы и дискомфорт пациента. При введении в сердечно-сосудистую систему та часть прибора, которая вводится в поток крови, должна быть нетромбогенной (не способствовать образованию сгустков или тромбов) и непирогенной (не выделять тепло).

Можно отметить, что развитие техники и технологии сделало возможным замену некоторых старых инвазивных клинических методов новыми неивазивными, которые позволяют получить аналогичную информацию. Например, эхокардиографию, при которой для получения функциональной информации о сердце используется ультразвуковая энергия, в настоящее время часто применяют вместо некоторых клинических диагностических методов, которые требовали катетеризации.

Даже использование неинвазивных приборов может создать определенный дискомфорт для пациента. Например, долговременное наложение ЭКГ электродов может вызвать раздражение кожи. Степень дискомфорта в значительной мере зависит от длительности процедуры. Поэтому лечащий персонал должен быть подготовлен быстро выполнять дискомфортные процедуры.

Здесь следует упомянуть и другую опасность для пациента, возникшую при использовании медицинской аппаратуры. Когда для обследования или лечения пациента используется аппаратура, получающая питание от силовых электрических линий, существует опасность поражения пациента электрическим током. Она значительно возрастает в тех случаях, когда пациент подсоединяется к прибору (например, электрокардиографу или монитору ЭКГ) или когда возникают электропроводящие пути между внешними и внутренними участками тела (особенно пути, ведущие к сердцу).

МЕДИЦИНСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Все медицинские параметры, подлежащие измерению и регистрации, можно разделить на две группы: измеряемые непосредственно; измеряемые опосредованно.

К первой группе относятся, например, движения, связанные с сердечными сокращениями, температура тела, биоэлектрические потенциалы. Съем этих величин осуществляется с помощью соответствующих устройств, которые непосредственно воспринимают от исследуемого организма изменения тех или иных параметров: механического перемещения, температуры, электрического потенциала.

Ко второй группе параметров относятся такие, которые сами по себе не могут быть измерены, либо проведение подобных замеров затруднено, но изменения которых приводят к изменениям других показателей, более удобных для измерения. Иными словами, интересующие врача те или иные стороны жизнедеятельности организма оцениваются косвенным путем измерения некоторых вспомогательных величин. Так, например, электрическое сопротивление некоторого участка тела может интересовать врача как определенная характеристика кровенаполнения этого участка; изменения степени поглощения света тканями могут быть связаны с изменениями объема органа или части тела. Очевидно, что для параметров, измеряемых опосредованно, требуется обратить особое внимание на установление первоначальных зависимостей между параметрами, интересующими врача, и фактически измеряемыми косвенными показателями.

Устройства съема медицинской информации обеспечивают получение сигналов, связанных с теми или иными явлениями, происходящими в живом организме. Устройства съема - переходное звено между исследуемым организмом и последующими устройствами усиления сигналов, их отображения, регистрации, передачи по каналу связи, обработки и т.д. В дальнейшем будут рассматриваться устройства съема, выходным сигналом которых является электрический сигнал.

Независимо от особенностей конкретных технических реализаций к устройствам съема можно предъявить ряд общих требований. Они должны обеспечивать:

• получение устойчивого информативного сигнала;

• минимальное искажение полезного сигнала;

• максимальную помехозащищенность;

• удобство размещения в необходимом для измерения месте;

• отсутствие побочного - раздражающего или другого действия на организм;

• возможность стерилизации (без изменения характеристик) и многократного использования.

Всю совокупность различных устройств съема медицинской информации целесообразно подразделить на две большие группы (рис. 3): электроды и датчики (преобразователи).

Рисунок 3. Классификация устройств съема медицинской информации.

Электроды - это проводники специальной формы, с помощью которых часть электрической цепи, составленная из проводов, соединяется с другой частью этой цепи неметаллического типа проводимости (например, с той или иной частью тела, органом, поверхностью кожи и т. д). Электроды чаще всего используются для съема электрического сигнала реально существующего в исследуемом организме. Они просто выполняют роль контакта в электрической цепи, осуществляя отведение электрического сигнала с той или иной степенью потерь, зависящей от качества контакта между электродом и той частью организма, с которой он соприкасается.

Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов Δφ(t) называется электрограммой.

В зависимости от вида тканей (или органов), биоэлектрическая активность которых исследуется, различают:

• электрокардиографию (ЭКГ) - исследование электрической активности сердца;

• электроэнцефалографию (ЭЭГ) - исследование биоэлектрической активности мозга,

• электромиографию (ЭМГ) - анализ электрической активности мышц,

Регистрация ЭМГ осуществляется с использованием:

• введённых в мышцу игольчатых электродов, при этом улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном.

• накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого.

• стимуляционной электромиографии - при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву.

• электроокулографию (ЭОГ) - исследование изменений потенциала, обусловленного движением глазного яблока;

• электрогастрографию (ЭГГ) - анализ вариации электрических сигналов, вызванных моторной деятельностью желудка.

Это наименование объединяет группу электрофизиологических методов, основанные на взаимосвязи электрической и сократительной активности ЖКТ. Они включают в себя либо регистрацию биопотенциалов с фиксированных на стенках органов электродов, так называемая прямая электрогастроэнтерография, либо регистрацию биопотенцилов с накожных электродов, закреплённых на животе или конечностях – непрямая или периферическая электрогастроэнтерография. Периферическая электрогастроэнтерография, будучи неинвазивной, т.е. не требуя никакого вторжения в организм человека, хорошо переносится всеми больными.

В принципе указанный перечень методов исследования биоэлектрической активности тех или иных органов может быть расширен.

В электрографии существуют две фундаментальные задачи:

1) прямая задача – расчет распределения электрического потенциала на заданной поверхности тела по заданным характеристикам эквивалентного генератора

2) обратная задача – определение характеристик эквивалентного генератора (изучаемого органа) по измеренным потенциалам на поверхности тела.

В некоторых случаях электроды могут использоваться не для съема электрических потенциалов, реально имеющихся в живом организме, а для подведения к организму некоторого внешнего электрического воздействия.

Такая ситуация имеет место, например, в электроплетизмографии (реографии), с помощью которой исследуются колебания интенсивности кровотока в органе или кровеносном сосуде. Переменное напряжение достаточно высокой частоты (30-250 кГц) прикладывается с помощью электродов к исследуемому участку тела. Измеряя вариацию полного электрического сопротивления (импеданс) тканей, включающего активную и реактивную компоненту, можно судить о характере изменения кровенаполнения тканей.

К электродам, как элементам съема медико-биологической информации, обычно предъявляются специфические требования:

• они должны быстро фиксироваться и сниматься,

• обладать низкой стоимостью,

• высокой стабильностью электрических параметров,

• эластичностью при достаточной механической прочности,

• не давать артефактов и помех,

• не оказывать раздражающего действия.