Реографические приборы и их поверка. Конспект лекций

3

ВВЕДЕНИЕ

Методы реографических исследований, т.е. исследований, осуществляемых путем измерения и оценки параметров электрического сопротивления исследуемого биологического объекта, широко применяются в медицинской практике для диагностики некоторых заболеваний и состояния сердечно-сосудистой системы. В частности, с помощью этих методов можно оценить некоторые объемные показатели кровотока, такие, как ударный объем сердца, объем пульсовой волны в конечностях, скорость ее распространения, сосудистый тонус и др. Эти методы позволяют осуществить диагностику различных поражений сердечнососудистой системы и состояние кровоснабжения головного мозга, определить наличие различных тромбозов на периферии и т.п.

Исследования осуществляются с помощью специальных средств измерений, называемых реографами и реоплетизмографами. Как и любые другие средства измерений, эти приборы должны соответствовать определенным метрологическим требованиям, что обеспечивается совокупностью нормативных, организационных и технических мероприятий.

В данном конспекте лекций рассматриваются основные принципы построения и работы реографических приборов, источники погрешности измерения параметров сопротивления, нормируемые метрологические характеристики, а также методы и средства поверки.

4

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕОГРАФИИ

Как известно, основным элементом структуры биологических объектов является вода, которая образует различные биологические жидкости: лимфу, кровь, плазму клеток и др. Наличие солей в этих жидкостях обуславливает проводимость электрического тока и, следовательно, электрической проводимостью будут обладать и ткани, содержащие эти жидкости.

Для медико-биологических исследований особый интерес представляет составляющая проводимости в разветвленной кровеносной сосудистой системе организма. Так как электрическое сопротивление любого проводящего объекта определяется его геометрией (протяженностью и сечением), а также удельным сопротивлением, то состояние этой системы, т.е. объемное наполнение сосудов кровью и ее физико-химические параметры будут в определенной мере оказывать влияние на общее сопротивление исследуемого участка организма.

Известно, что электрическое сопротивление мягких тканей организма носит комплексный характер и имеет активную и емкостную составляющие. Исследованиями установлено, что информативным параметром, отражающим состояние сосудистой системы, является в основном активная составляющая полного электрического сопротивления.

Измерение электрического сопротивления теми или иными инструментальными средствами с целью оценки состояния сосудистой системы человека называется реографией и реоплетизмографией.

При реографии исследуют относительно быстрые пульсовые колебания кровенаполнения (а следовательно, и сопротивления) сосудов тех или иных органов, а при реоплетизмографии наблюдают изменения электрического сопротивления, связанные со сравнительно медленными колебаниями кровенаполнения сосудов участка тела и изменения свойств среды.

Для целей медицинской диагностики в процессе проведения реографических измерений в зависимости от характера изменения сопротивления, обусловленного состоянием кровеносной системы, регистрируются следующие виды сопротивления:

объемная реограмма (в дальнейшем реограмма); дифференциальная реограмма;

5

реоплетизмограмма; базовое сопротивление.

Реограмма — это параметр полного электрического сопротивления исследуемого участка тела, отражающий динамику кровенаполнения в процессе сердечных сокращений (рис. 1а).

Реограмма представляет собой функциональное изменение сопротивления во времени, называемое пульсовой волной, которое возникает в такт работы сердца и отражает в основном движение крови в артериях и артериолах. Размах этих волн (изменение сопротивления R) — порядка 0,1–0,5 % от постоянного значения сопротивления исследуемого участка тела, т.е. на фоне постоянной составляющей сопротивления тела регистрируемые изменения, как правило, весьма незначительны. Диапазон частот

0,3–30 Гц.

На рис. 1а приведена «стандартная» форма реограммы, которая воспроизводится эталонами при поверке реографов. На ней указаны характерные точки: амплитуды систолической и диастолической волн, уровень инцизуры, которые отражают медикобиологические параметры сосудистой системы человека. Следует отметить, что принятая медицинская терминология для обозначения указанных точек не соответствует терминологии, применяемой в описании электрорадиотехнических сигналов. Технически правильно в данном случае говорить о размахах систолической и диастолической волн как о максимальном расхождении по вертикали двух точек кривой в рассматриваемом интервале времени (амплитуда же представляет собой максимальное отклонение мгновенного напряжения от нулевого значения в рассматриваемом интервале времени). Применение в технической документации на реографы термина «амплитуда» вместо термина «размах» часто приводит к грубейшим ошибкам.

Дифференциальная реограмма (дифреограмма) — первая производная от реограммы (рис. 1б). Регистрируемая при этом кривая характеризует скорость изменения сопротивления во времени.

Плетизмограмма — параметр полного электрического сопротивления исследуемого участка тела, отражающий медленные (относительно частоты сердечных сокращений) изменения кровенаполнения (рис. 1в). Эти непериодические изменения сопротивления обуславливаются реакцией сердечно-сосудистой

6

t

б. Дифференциальная реограмма (дифреограмма)

Rбаз

Rплет

Рис. 1. Диаграммы изменения сопротивления

7

системы на физиологические, химические и фармакологические раздражения, под влиянием которых происходит перераспределение крови в организме. Размах этих изменений составляет 0,1–3,0 % постоянного значения сопротивления. Спектр частот — в пределах 0,05–5 Гц.

Базовое сопротивление — параметр полного электрического сопротивления участка тела, отражающий общее содержание крови в этом участке тела. Это значение сопротивления можно трактовать как некое усредненное значение плетизмограммы или сопротивление участка тела при отсутствии воздействия указанных факторов.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ РЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Сопротивление исследуемого участка тела измеряется контактным методом с помощью системы специальных электродов, накладываемых на определенные точки организма.

Существующие методы измерения сопротивления токопроводящих сред, как известно, основаны на использовании постоянного или переменного тока, при этом измеряются значения токов (или напряжений) при определенных ограничениях на режимы измерения.

В реографических измерениях постоянный ток не используется, так как на результатах измерений в значительной степени сказываются поляризационные явления в системе контакта «кожа – электрод». Возникающие ЭДС в зоне контакта зависят от многих случайных факторов: влажности, солевого, кислотного или щелочного состояния среды в этой зоне, состояния электрода и т.д. При этом значение этой ЭДС может значительно превосходить уровень полезного сигнала, существенно увеличивая погрешность измерения. На переменном токе эти явления на результат измерений практически не влияют.

Учитывая, что на переменном токе сопротивление организма проявляется как комплексное, т.е. кроме активной оно имеет также и реактивную (емкостную) составляющую, которая в определенной степени искажает результаты измерений, то для реографических измерений выбирают частоты переменного тока в диапазоне от 30 до 120 кГц, в котором основной составляющей импеданса является активное сопротивление.

8

Существуют следующие системы отведения реосигнала: биполярные; тетраполярные.

Биполярные системы. Биполярные системы (рис. 2) являются относительно простыми по структуре и методике применения.

Отведение реосигнала в данных системах осуществляется двумя специальными электродами, которые закрепляются на определенном расстоянии друг от друга на поверхности исследуемого участка тела. Сопротивление (импеданс) между этими электродами и представляет собой сопротивление исследуемого объекта Zо , который называется реосигналом.

Информация о сопротивлении объекта для использования ее в практических целях может определенным образом обрабатываться: записываться в виде диаграмм на бумажных и других носителях, запоминаться, передаваться на расстояние. Но сопротивление как физическая величина не обладает свойствами, которые бы обеспечивали возможность подобной обработки. Поэтому возникает необходимость предварительного преобразования сопротивления в электрический сигнал (напряжение), которое позволяет решать эти задачи.

Вреоприборах с биполярной системой отведения сигнала наиболее распространенной схемой, обеспечивающей высокую чувствительность преобразования реосигнала при малых изменениях сопротивления в пропорционально изменяющееся напряжение, является мостовая схема (рис. 3).

Вэтой схеме три плеча моста образованы образцовыми сопро-

тивлениями Z1, Z2 и Z3, выполненными или в виде RC-ячеек или в виде трансформаторных схем. В четвертое плечо Z4 включается цепь «электроды – объект» (сопротивления Zо и Zк ).

В одну из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения — генератор высокой частоты (ГВЧ), в другую — входные цепи измерительной схемы (ИС).

Принцип работы схемы заключается в следующем.

Перед проведением измерений мост предварительно балансируется при замкнутом ключе Кл. Балансировка, т.е. получение нулевого напряжения в измерительной диагонали моста Uх 0 достигается регулировкой одного из сопротивлений моста, например Z3. Полная балансировка может быть получена при

9

Электроды

Рис. 2. Биполярная система отведения:

Zо — сопротивление исследуемого участка ткани (объекта); Zк — сопротивление контакта «кожа — электрод»

Рис. 3. Структурная схема реоприбора, основанного на мостовом методе преобразования реосигнала

в напряжение (для биполярной системы отведения)

10

соблюдении условия Z1Z3 Z2Z4 . Процесс балансировки кон-

тролируется с помощью индикатора нуля ИН.

Для проведения измерения ключ Кл размыкается. Так как сопротивление четвертого плеча моста изменится (включены дополнительно Zо и Zк ), мост разбалансируется. Его вновь ба-

лансируют с помощью резистора Z1, который имеет шкалу, градуированную в значениях базового сопротивления Rб . Оно явля-

ется, как было отмечено ранее, одним из информативных параметров при исследовании биообъектов.

Переменная составляющая сопротивления Zо приводит к разбалансировке моста, т.е. в измерительной диагонали появляется напряжение Uх , которое затем подается на вход измерительной схемы ИС реоприбора Uх Uвх .

Так как мост питается переменным током высокой частоты, амплитуда этого напряжения будет изменяться пропорционально изменению сопротивления Zо . Такой сигнал называется

амплитудно-модулированным (рис. 4). Если эти изменения обусловлены деятельностью сердечно-сосудистой системы, огибающая этого напряжения будет иметь вид реограммы.

В ИС сигнал усиливается, детектируется, фильтруется и дифференцируется. Различные составляющие исследуемого сигнала в виде соответствующих напряжений подаются на выходные клеммы реоприбора: «Рео», «Диф» и «Плет». Например, выходное напряжение схемы Uвых на выходе «Рео» имеет вид, показанный на рис. 5. Для получения диаграммы это напряжение подается на пишущий прибор (регистратор): самописец, электрокардиограф и др.

В погрешность измерения сопротивления мостовых измерительных приборов с биполярной системой отведения входят следующие составляющие:

1.Погрешность, вызванная нестабильностью во времени импедансов контактов «кожа – электроды».

2.Методическая погрешность, обусловленная неоднородностью распределения поля в приэлектродных областях исследуемого участка, что приводит к несоответствию реальных условий распределения тока и принятой в реографии модели цилиндрического проводника.