МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЛЕЧЕБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 3 для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» (профили «Биотехнические

имедицинские аппараты и системы», «Менеджмент

иуправление качеством в здравоохранении») очной формы обучения

Воронеж 2019

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 предназначены для студентов очной формы обучения по направлению 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», профилям подготовки: «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Менеджмент и управление качеством в здравоохранении», изучающих курс «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», основной задачей которого является изучение физиологических и аналитических методов исследования биологических объектов – организмов (главным образом, человека). В работе изложены указания и задания по выполнению лабораторной работы по дисциплине. Подробно описан ход выполнения работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Методы исследования в кардиологии на базе «CARDIOLOGY VIRTUAL LAB»

1. Цель работы

Цель лабораторной работы – ознакомление с наследственными заболеваниями сердца, а также с методами диагностики, используемыми для обследования пациентов, страдающих патологиями со стороны сердечнососудистой системы.

2. Теоретическое введение

Аускультация

Аускультация – это выслушивание звуков, издаваемых сердцем, легкими и кровью, с помощью стетоскопа. Это исследование выполняется на начальном этапе диагностики сердца и является очень важным шагом.

Аортальные компоненты включают «тоны», которые представляют собой звуковые волны, возникающие в результате работы сердечной мышцы и клапанов сердца, и «шумы» – это атипичные звуки, появляющиеся во время сердечного цикла, например, свистящие или шуршащие, которые производятся из-за турбулентного тока крови в сердце или около него. При нормальном сердцебиении сердце производит два звука – это первый тон (S1 или «lub» в lub-dub), вызванный закрытием митрального и трикуспидального клапанов, когда желудочки начинают сокращаться и выбрасывать кровь в аорту и легочную артерию. Второй тон (S2 или «dub») возникает, когда желудочки заканчивают изгнание крови, начинают расслабляться, и происходит схлопывание аортального и легочного клапанов.

3

Одним из подходов к анализу тонов сердца является их запись с помощью микрофона, а затем графическое отображение электрических сигналов. Это называется фонокардиограммой, на которой ось X – это время, а ось Y – напряжение (которое является мерой интенсивности звука). На рисунке ниже показана простая фонокардиограмма из четырех сердечных сокращений (рис. 1). Первый и второй тоны одного сердцебиения помечены. В данной лабораторной работе этот тип отображения используется для выявления проблем, связанных с наличием аномальных тонов сердца.

Рис. 1. Фонокардиограмма (тоны сердца)

Одним из наиболее распространенных аномальных явлений, которые можно обнаружить с помощью стетоскопа, является шум – несколько продолжительный «свист», который можно охарактеризовать как дующий, урчащий, мягкий, резкий и так далее. Фонокардиограмма ниже показывает шум между первым и вторым тонами или во время систолической части сердцебиения (рис. 2). Аномальный звук может быть связан либо с сужением одного из клапанов – аортального или легочного, либо с регургитацией крови через митральный или трикуспидальный клапаны. Без тщательной проверки опытным врачом трудно установить точную причину шума.

Рис. 2. Шумы сердца

Наконец, следует отметить, что тоны сердца сильно различаются в зависимости от положения пациента, положения стетоскопа на груди и от того, насколько глубоко или быстро дышит пациент. Опытный врач примет во внимание все эти факторы при анализе результата аускультации.

Электрокардиография (ЭКГ)

Вы, вероятно, знакомы с этой сценой из типичного больничного телешоу: пациент подключен к монитору, который показывает следы напряжения на экране и издает звук "... пип ... пип ... пип …пииииииииииииииииииииииии", когда у пациента происходит остановка сердца. Этот тип машины обычно исполь-

4

зуется для получения электрокардиограммы (ЭКГ), которая представляет собой графическое отображение электрической активности сердца во времени. Чтобы получить стандартную ЭКГ (рис. 3), пациент подключается к аппарату с помощью 3 электрических отведений (по одному на каждое запястье и к левой лодыжке), которые непрерывно контролируют работу сердца. Однако ЭКГ может выглядеть очень по-разному, в зависимости от количества использованных отведений. Например, для детальной оценки функции сердца к области грудной клетки прикрепляется еще несколько отведений. Здесь речь пойдет только о трех типичных отведениях, стандартной ЭКГ.

Рис. 3. Стандартная ЭКГ

Каждый пик в ЭКГ обозначается буквой от P до U, которая соответствует определенной электрической активности сердца:

−Р-волна представляет электрическое возбуждение (или деполяризацию) предсердий, что приводит к сокращению обоих предсердий.

−Комплекс QRS представляет деполяризацию желудочков, которая инициирует сокращение желудочков. Сокращение начинается вскоре после Q и отмечает начало систолы.

−Т-волна представляет собой возвращение желудочков из возбужденного в нормальное состояние (реполяризация). Конец зубца Т отмечает конец систолы.

−U-волна обычно очень мала и представляет реполяризацию совокупности специализированных мышечных волокон, составляющих проводящую систему сердца, которая отвечает за распространение электрического сигнала по желудочку.

Очевидно, что путем подсчета количества комплексов QRS, которые происходят в данный период времени, можно определить частоту сердечных сокращений человека, но ЭКГ может дать гораздо больше информации. Например, поскольку ЭКГ, полученные от разных людей, имеют примерно одинаковую форму для данной конфигурации отведения, любое отклонение от этой формы указывает на возможную аномалию или заболевание.

Эхокардиография

Эхокардиография – это метод, который использует очень высокочастотный звук, или ультразвук (с частотой от 2 до 15 МГц, значительно превыша ю- щей человеческий слуховой порог – около 20 кГц) для визуализации деталей анатомии сердца. Ультразвук может распространяться в газообразной, жидкой

5

или твердой среде, но когда звуковая волна встречает препятствие или границу раздела двух сред различной плотности, часть ее отражается обратно. Датчик эхокардиографического аппарата излучает и регистрирует ультразвук. При нормальной работе импульсы ультразвука, испускаемые датчиком, проходят через тело пациента, ударяются о поверхность раздела (например, между мышечной тканью сердца и содержащимися в ней кровеносными сосудами), отражаются обратно и затем улавливаются датчиком. Измеряя время, необходимое для обратного эхо-сигнала, чтобы достичь датчика, и сравнивая его с калиброванным временем, можно измерить расстояние между датчиком и нужной поверхностью. Результатом является одномерное отображение глубины различных поверхностей относительно положения датчика. В двумерной эхокардиографии датчик испускает последовательность импульсов в разных направлениях, а информация, предоставленная возвращающимися эхосигналами, затем компилируется. Типичная двумерная эхокардиограмма выглядит как кусок пирога. Вершина круга представляет точку, ближайшую к зонду, а остальная часть изображения представляет собой совокупность информации о глубине из различных секторов ткани в форме кругов. Это аналогично тому, как смотреть на затемненную комнату, водя перед собой фонариком взад-вперед, чтобы увидеть полную картину.

Почему ультразвук?

Уровень детализации, который обеспечивает любое устройство формирования изображения, зависит от частоты используемых волн; так что более высокая частота ультразвука дает больше деталей. (Кроме того, звук с более низкой частотой, близкий к звуковому диапазону, является громким и повреждает ухо.) Для обычных обследований взрослых, у которых более крупное сердце, более глубоко расположенное в грудной клетке, обычно используется ультразвук с более низкой частотой порядка 3 МГц, в то время как для детального обследования или для обследования маленьких детей наиболее подходящим является ультразвуковое исследование более высокой частоты. Например, детали от 1 до 2 мм можно определить с помощью ультразвука частотой 2,5 МГц. Может возникнуть вопрос об использовании высокочастотного ультразвука – 15 МГц – для всех видов исследования, ведь он дает наиболее четкую картину изображения. Одной из причин, по которой он не применяется, является стоимость: высокочастотные ультразвуковые аппараты требуют большей точности и вычислительной мощности, поэтому они дороже. Другим моментом, который следует учитывать, является то, что высокочастотные звуки с расстоянием быстрее затухают, поэтому высокочастотный ультразвук не может проникать в ткани достаточно глубоко.

Проекции, используемые при эхокардиографии Эхокардиография выполняется путем помещения датчика на грудь паци-

ента и наведения ультразвука на сердце. В зависимости от положения датчика могут быть получены различные виды сердца (рис. 4).

6

Рис. 4. Виды при эхокардиографии

Широко используемый парастернальный вид (на рис. 4 слева), параллельный длинной оси левого желудочка, получается путем наведения ультразвука через щель в грудной клетке. Также полезным является апикальное четырехкамерное изображение (на рис. 4 справа), полученное при наведении зонда вниз от грудины и вверх к голове. Для более детальных исследований, высокочастотные миниатюрные зонды вставляются в пищевод для получения изображения сердца изнутри.

Допплерэхокардиография Звук передается в виде серии волн сжатия-разрежения с определенной

частотой. Когда звуковая волна отражается, ее частота совпадает с частотой первоначально переданной волны при условии, что цель неподвижна. Если цель движется к источнику или от него, то отраженная волна или эхо будет иметь более высокую или более низкую частоту соответственно. Этот сдвиг частоты, или эффект Доплера, используется для расчета скорости движения обнаруженных объектов. В эхокардиографии этот метод используется для исследования кровотока и графически представлен либо в виде оранжевой массы, движущейся к зонду, либо в виде синей массы, удаляющейся от датчика. Допплеровская эхокардиография особенно эффективна при обнаружении аберрантного кровотока, который может быть вызван повреждением сердечных клапанов. На приведенном ниже примере, представляющем собой парастернальный вид, можно увидеть большую оранжевую массу крови, движущуюся к вершине с левой стороны. Это кровь, выходящая из левого предсердия и движущаяся в левый желудочек. Прямо справа от этого вы видите более слабое синее пятно. Это кровь, циркулирующая вокруг желудочка. Но обратите внимание на тонкий поток оранжевого цвета, который представляет кровь, текущую из аортального клапана в левый желудочек, что является классическим случаем регургитации вследствие повреждения аортального клапана (рис. 5).

Рис. 5. Допплерэхокардиография

7

Анализ родословной

Основные принципы Если в семье более одного человека страдают от одной болезни, это озна-

чает, что данная патология может быть унаследована. Врач должен посмотреть на семейную историю, чтобы определить, действительно ли болезнь унаследована и, если это так, установить способ наследования. Затем эту информацию можно использовать для прогнозирования риска повторения в будущих поколениях.

Основным методом определения структуры наследования любого признака (который может быть физическим атрибутом, таким как цвет глаз или серьезное заболевание, например синдром Марфана) является его выявление у нескольких членов семьи, охватывающих как можно больше поколений. По признаку болезни врач должен изучить существующих членов семьи, чтобы определить, кто пострадал, а кто нет. Ту же информацию трудно получить о более дальних родственниках и она часто является неполной.

После анализа семейной истории врач полученную информацию изображает в виде специальной диаграммы или генеалогического древа, в которой используется определенный набор стандартизованных символов. Это называется родословной. В родословной мужчины представлены квадратами , а женщины кругами . Человек, который проявляет исследуемый признак, например, тот, кто страдает синдромом Марфана, представляется заполненным символом или . Горизонтальная линия между двумя символами представляет собой сопряжение . Потомство соединено друг с другом горизонтальной линией над символами и родителями по вертикальным линиям. Римские цифры (I, II, III и т. д.) символизируют поколения. Арабские цифры (1,2,3 и т. д.) символизируют порядок рождения в каждом поколении. Таким образом, любой человек в родословной может быть идентифицирован комбинацией двух чисел (напри-

мер, II3).

Доминантные и рецессивные черты Используя генетические принципы, по информации, представленной в

родословной, можно определить, наследуется ли данный физический признак или нет, и каков порядок наследования. Проще говоря, черты могут быть либо доминирующими, либо рецессивными. Доминирующая черта передается сыну или дочери только от одного родителя. Характеристики доминирующей родословной: 1) у каждого пораженного человека есть, по крайней мере, один пораженный родитель; 2) затронутые лица, которые состоят в браке с незатронутыми людьми, имеют 50% шанс передать данный признак своим детям; и 3) у двух затронутых лиц дети могут не унаследовать данный признак (рис. 6).

8

Рис. 6. Доминирующая родословная

Рецессивные черты передаются детям обоих родителей, хотя родители могут казаться совершенно «нормальными». Характеристики рецессивных родословных заключаются в следующем: 1) лицо, которое пострадало, может иметь родителей, которые не пострадали; 2) затрагиваются все дети двух затронутых лиц; и 3) в родословных, связанных с редкими чертами, незатронутые родители пострадавшего человека могут быть связаны друг с другом (рис. 7).

Рис. 7. Рецессивная родословная

Причиной двух разных закономерностей наследования являются гены, которые предрасполагают человека к данной болезни. Гены существуют в разных формах, известных как аллели, обычно отличающиеся друг от друга указанными признаками. Лица, несущие идентичные аллели данного гена, считаются гомозиготными для рассматриваемого гена. Аналогично, когда два разных аллеля присутствуют в паре генов, индивидуум считается гетерозиготным. Доминантные черты выражаются в гетерозиготном состоянии (другими словами, вам нужно унаследовать только один аллель от одного родителя, чтобы заболеть). Рецессивные черты выражаются только в гомозиготном состоянии (другими словами, вам нужно унаследовать один и тот же болезнетворный аллель у обоих родителей, чтобы заболеть).

Пенетрантность и экспрессивность Пенетрантность – это частота проявления гена у носителей данного гена.

Пенетрантность может быть полной (100%) и неполной, если действие гена проявляется не у всех его носителей. Например, если у всех людей, у которых есть болезнетворный аллель, проявляется заболевание, то говорят, что аллель

9

имеет 100% пенетрантность. Если только четверть людей, несущих болезнетворный аллель, проявляют симптомы заболевания, пенетрантность составляет 25%. Экспрессивность – это качественная характеристика степени выраженности признака, а в случае заболевания она выражает степень тяжести его течения.

Наследуемые черты Не все болезни, которые обнаруживаются в семьях, наследуются. Други-

ми факторами, которые могут вызвать те или иные патологии в семье, являются вирусные инфекции или воздействие возбудителей болезней (например, асбест). Один из факторов, указывающих на то, что болезнь не унаследована, заключается в отсутствии наследования, которое согласуется с генетическими принципами (другими словами, это не выглядит чем-то вроде доминирующей или рецессивной родословной).

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Медицинская магнитно-резонансная томография (МРТ) – это метод получения изображений различных органов человеческого тела с высоким разрешением путем картирования распределения ядер водорода. По сравнению с эхокардиографией, МРТ дает неискаженное изображение сердца; тем не менее, метод является более громоздким и дорогим, и не может назначаться с такой же частотой, как эхокардиография. МРТ является неинвазивным методом, основанным на тех же принципах, что и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Принципы ЯМР Все атомные ядра с нечетным числом протонов заряжены положительно.

При вращении ядер они создают вокруг себя микромагнитные поля, так что каждое ядро напоминает крошечный стержневой магнит с северным и южным полюсами вдоль оси вращения. Обычно ядра ориентированы случайным образом, так что нет чистого магнитного поля. Однако если приложить сильное и однородное внешнее магнитное поле, ядра выстроятся в линию, чтобы создать обнаруживаемое магнитное поле.

Частота вращения определяется как:

Частота Лармора (Гц) = напряженность магнитного поля х гиромаг-

нитная постоянная

Гиромагнитная постоянная – это конкретное число для каждого вида ядер. Это означает, что ядра водорода в указанном магнитном поле будут вращаться с предсказуемой частотой. Если магнитное поле изменяется, частота вращения изменяется.

Когда атомные ядра подвергаются воздействию радиочастотной (РЧ) электромагнитной волны, равной частоте Лармора, они поглощают энергию РЧ-волны и возбуждаются. Это явление называется резонансом. Когда РЧ волна останавливается, атомы возвращаются обратно в состояние равновесия и выделяют поглощенную энергию в окружающую среду в виде излучения РЧ волны. Испускаемые радиочастотные волны могут быть обнаружены датчиками.

10