Базовий курс анестезіолога / Базовый курс анестезиолога

Физика и оборудование 11

Содержание

Мониторинг газового состава дыхательной смеси считается одним из ключевых

условий безопасности анестезии. Измерение концентрации вдыхаемого кислорода позволяет избежать поступления гипоксической смеси, а также экономить кислород при ограниченном снабжении. Капнография дает анестезиологу исключительно важную информацию о состоянии пациента, причем как в отношении дыхательной, так и сердечнососудистой систем. Кроме того, этот метод мониторинга позволяет своевременно заподозрить или исключить редкое, но крайне опас-

ное состояние — злокачественную гипертермию. Во многих случаях мониторинг концентрации ингаляционных анестетиков недоступен, однако его ценность в выявлении и предупреждении опасного превышения концентрации этих препаратов или, напротив, поверхностной анестезии на фоне сниженной концентрации заставляют говорить о его необходимости на рабочем месте каждого анестезиолога.

Grant McFadyen

Consultant Anaesthetist,

Morriston Hospital

Swansea SA6 6NL, UK

Инфракрасная абсорбционная спектроскопия

Этот метод используется в анестезиологии наиболее часто. Газы, молекулы которых содержат как минимум два разных атома, поглощают инфракрасное излучение. Используя это свойство, можно непрерывно измерять концентрацию CO2 в течение всего дыхательного цикла, это отображается в виде капнографической кривой. Углекислый газ особенно эффективно поглощает излучение с длиной волны 4,3 микрометра. Фотодетектор фиксирует излучение, пришедшее от источника света с данной длиной волны. В соответствии с законом Бира– Ламбера, мощность инфракрасного излучения, абсорбированного в камере, будет пропорциональна количеству молекул CO2 (парциальное давление CO2), что позволяет рассчитать его концентрацию.

Фотоакустическая спектроскопия

Исследуемый образец газа облучается пульсирующим потоком инфракрасного излучения с определенной длиной волны. Периодическое расширение и сжатие газа создает колебания давления со звуковой частотой, которые фиксируются специальным микрофоном. По сравнению с инфракрасной абсорбционной спектрометрией фотоакустическая спектрометрия имеет следующие преимущества:

•Фотоакустическая техника очень стабильна и не

требует повторной калибровки в течение длительного промежутка времени.

•Быстрое время отклика дает более достоверную ин- формацию о любых изменениях концентрации CO2.

Другие методики измерения CO2 включают в себя Рамановское рассеивание и масс-спектрометрию.

Рамановское рассеивание (Raman)

Когда свет проходит через образец газа, он подвергается двум типам отражательных процессов:

1.Релеевское рассеивание — не сопровождается изменениями энергии или частоты света.

2.Рамановское рассеивание — свет передает энергию молекулам газа, при этом частота отраженного света снижается (в крайне малой степени).

Величина, на которую смещается частота света, строго специфична для каждого газа, при этом анализ отраженного света позволяет идентифицировать газ. Для анализа используется интенсивный, когерентный, монохромный свет (то есть из лазера). Данный тип анализаторов характеризует высокая скорость, возможность анализа «от вдоха к вдоху», однако они достаточно массивные и тяжелые. Они более универсальны по сравнению с инфракрасным анализом и более надежны по сравнению с масс-спектрометрией.

Место забора образцов в дыхательной системе

Газ из дыхательной системы может быть забран для анализа с помощью одной из двух технологий: прямого потока или бокового потока.

Технология бокового потока (sidestream)

Газ забирается из дыхательной системы с помощью трубки с внутренним диаметром 1,2 мм. Эта трубка соединена с легким адаптером, установленным в контур

в непосредственной близости к дыхательным путям пациента. Через трубку газовая смесь доставляется в аналитическую камеру. Выполненная из тефлона, она непроницаема для CO2 и не вступает в реакцию с анестезиологическими газами. При этом методе анализа могут использоваться только рекомендованные производителем заборные трубки, имеющие определенную длину и толщину. Обычные инфракрасные анализаторы производят забор газовой смеси для анализа со скоростью от 50 до 150 мл/мин. При низкой скорости подачи свежей смеси (низкопоточная анестезия) весь забранный для анализа газ может быть возвращен в дыхательный контур (чтобы избежать потери анестетика. — Прим. редактора). Важно помнить, что забор образцов должен производиться как можно ближе к трахее пациента, но смесь газов не должна содержать свежей дыхательной смеси («смесь вдоха») во время фазы выдоха.

Технология основного потока (mainstream)

Камера для анализа образцов располагается как можно ближе к дыхательным путям пациента, пропуская через себя весь поток газа, то есть в основном (главном) потоке. Она тяжелее и сложнее устроена, но вместе с тем это дает некоторые преимущества перед технологией бокового потока.

•Время задержки в показаниях монитора меньше,

при этом изменения капнографической волны отображаются быстрее, поскольку нет необходимости доставлять газовую смесь по магистрали.

•Нет необходимости в заборе газа из контура.

•Нет смешения потоков газа, которые могут иметь

место при технологии бокового потока.

•Меньше проблем с конденсацией паров воды на

стенках кюветы (аналитическая кювета обычно подогревается. — Прим. редактора).

Капнографическая кривая

Первая фаза приходится на вдох (пауза вдоха). Вторая фаза соответствует началу выдоха и характеризуется быстрым нарастанием концентрации CO2. Третья фаза — экспираторное плато, отражает выход CO2 из всех альвеол. Самая высокая точка плато и есть искомое EtCO2, определяемое в конце выдоха. Четвертая фаза — начало очередного вдоха (рисунок 4).

Патологические формы кривых

Возвратное дыхание (рисунок 5)

Кривая, которая не возвращается к исходному (нулевому) значению во время вдоха, свидетельствует о

Рисунок 4. Типичная капнографическая кривая

1 — пауза вдоха; 2 — выдох; 3 — экспираторное плато; 4 — начало вдоха

Рисунок 5. Возвратное дыхание

Кривая не возвращается к начальному (нулевому) уровню во время вдоха (стрелка)

Рисунок 6. Наклонное плато (стрелка)

Типичный признак обструкции нижних дыхательных путей (астма и хронический бронхит)

повторном вдыхании газовой смеси, содержащей CO2. Возможны следующие причины этого феномена:

•Слишком низкий поток газа в невозвратной системе

(контуры Мэйпелсона, типы A, D, E).

•Натронная известь отработала свой ресурс и не по- глощает углекислый газ.

Наклонное плато (рисунок 6)

Данный тип кривой часто наблюдается у пациентов с обструктивной патологией органов дыхания (астма, ХОБЛ). У таких пациентов легкие нормально перфузируются кровью, а вот вентиляция альвеол крайне неоднородна. Во время выдоха углекислый газ выходит из альвеол в крупные воздухоносные пути, но при сужении бронхов для этого требуется больше времени. В медленно опорожняющихся легочных единицах концентрация CO2 выше, поскольку по мере выдоха повышение CO2 происходит постепенно. Плохо вентилируемые альвеолы вносят большой вклад в количество CO2 в выдыхаемом воздухе.

Рисунок 7. Сердечные осцилляции

Рисунок 8. Восстановление спонтанного дыхания

Кардиальные осцилляции (рисунок 7)

Сердечные сокращения передаются через средостение на крупные дыхательные пути и регистрируются капнографом. Сердечные осцилляции наиболее заметны у пациентов с апноэ, поскольку объем газа, который они приводят в движение, составляет большую часть от общего объема легких, когда они находятся на уровне функциональной остаточной емкости.

Вырезка кураре (рисунок 8)

Появление такой волны означает прекращение нейромышечного блока у пациентов, находящихся на ИВЛ. Когда обездвиженный пациент начинает дышать малыми объемами при реверсии блока, на кривой появляются своеобразные «вырезки».

ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ

1.Williamson JA, Webb RK, Cockings J, Morgan C. The Australia incident monitoring study. The capnograph: applications and limitations — an analysis of 2000 incident reports. Anaesthesia and Analgesia 1993; 21: 551–557.

2.Schmitz BD, Shapiro BA. Capnography. Respiratory Care Clinics of North America 1995; 1: 107–117.

3.Al-Shaikh B. Essentials of Anaesthetic Equipment. Churchill Livingstone 1995.

Физика и оборудование 12

Содержание

В статье рассмотрены важные с точки зрения безопасности анестезии вопросы электричества и магнетизма. Приведены базовые понятия, вопросы усиления биологических потенциалов, источники электрических помех, опасности, их причины и меры предосторожности, диатермия и дефибрилляция.

David Sanders

Consultant Anaesthetist

Bruce McCormick

Consultant Anaesthetist,

Royal Devon and Exeter

NHS Foundation Trust

Barrack Road

Exeter, Devon,

EX2 5DW, UK

Рисунок 3. Закон Ома (Ohm)

потенциальную энергию. Данная энергия может быть высвобождена или разряжена в виде искр, которые представляют опасность в операционной, особенно при использовании легковоспламеняющихся анестетиков, таких как эфир.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  ТОК

Электрический ток характеризует движение электрического заряда по электрической цепи и описывается законом Ома:

Сила тока (I) = Напряжение (V) / Сопротивление (R)

(чаще представляется как: V = I × R).

Мостовая схема

Мостовые схемы, например, мост Уитстоуна (Wheatstone), используются в таких устройствах, как трансдюсеры для инвазивного измерения артериального давления, и являются простым примером применения закона Ома. Трансдюсеры трансформируют одну форму энергии в другую, например, трансдюсер АД изменяет свое сопротивление в ответ на изменение давления внутри него (например, растяжение мембраны под действием давления). Другим примером является термистор, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. Мостовая схема может быть использована для оценки количественного изменения какой-либо физической величины путем определения изменения сопротивления трансдюсера (рисунок 4).

Рисунок 4. Мост Уитстоуна (Wheatstone)

При условии, что R1/R2 = R3/R4, ток не течет через измерительный датчик (I). В данном случае говорят, что мост сбалансирован. Трансдюсер (R1) уста-

навливается в положение R1, а переменный резистор (RV) устанавливается

в положение R3. Трансдюсер обнуляется за счет регулирования RV до прекращения движения тока через датчик. Изменения сопротивления трансдюсера вызывают разбалансировку цепи и появление тока в измерительном датчике. Величина, на которую необходимо изменить сопротивление переменного резистора для восстановления баланса (т. е. для прекращения движения тока через I), может быть использована для раcчета изменения сопротивления в трансдюсере и таким образом произошедшего изменения давления, воздействующего на трансдюсер

Рисунок 5. Графическое отображение постоянного и переменного тока

Постоянный и переменный ток

Постоянный ток описывается как непрерывный поток электрических зарядов от положительного электрода к отрицательному. Почти все электронные устройства нуждаются в постоянном токе.

Переменный ток — электрический ток синусоидальной формы, который возникает как электрический потенциал между изменяющимися полями. Большинство электрических устройств используют переменный ток. В Великобритании используется переменный ток с напряжением 240 вольт и частотой (скорость изменения полярности) 50 герц (50 раз за секунду). Пиковое напряжение составляет 340 вольт. Так как напряжение симметрично изменяется относительно нуля, среднее напряжение равно нулю. Значение 240 вольт на самом деле является среднеквадратичным уровнем всех составляющих и используется как наиболее наглядная демонстрация среднего значения (все значения возводятся в квадрат, полученные показатели усредняются, а последующее извлечение квадратного корня переводит отрицательные значения в положительные).

Рисунок 6. Ферромагнетизм связан с понятием «домены» — области вещества, которые однородно намагничиваются и имеют одинаковое направление полярности

А

Направление силы, приложенной к проводнику

Направление магнитного поля

Направление тока, проходящего через проводник

Б

Направление движения проводника через магнитное поле

Направление магнитного поля

Направление тока, наведенного в проводнике

Рисунок 7. Правила левой и правой руки Флемингса (Flemings) для электромагнитной индукции

Правило левой руки (А) описывает направление движения проводника (большой палец), когда электрический ток течет от него (в направлении среднего пальца) в магнитном поле, направленном вдоль указательного пальца. Движение возникает вследствие индукции электродвижущей силы. Правило правой руки (Б) описывает направление движения электрического тока, индуцированного в проводнике, движущемся через магнитное поле

МАГНЕТИЗМ

Теория

Магнитное поле является фундаментальной силой природы (подобно силе гравитации), и поэтому его феномен сложно объяснить. Магнитные полюсы всегда являются парными и обычно описываются как северный и южный. Магнитные поля классически описываются линиями магнитного потока, которые показывают направление магнитного поля в любой точке пространства. Вещества могут быть разделены на следующие типы:

•Ферромагнетики — сильно притягиваются к магнитному полю, намагничиваются, находясь в магнитном поле, и сохраняют свойства магнита после удаления из магнитного поля.

Рисунок 8. Магнитное поле, генерируемое в соленоиде, через который движется электрический ток в направлении, указанном стрелками

•Парамагнетики — слабо притягиваются к магнитному полю.

•Диамагнетики — слабо выталкиваются из магнитного поля.

Электромагнетизм

Электрический ток и магнетизм тесно взаимо­ связаны. Все движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле. При движении проводника через магнитное поле в проводнике индуцируется электрический ток, что описывается как эффект динамо. Электромагнетизм подчиняется правилам Флеминга (рисунок 7).

Электрический ток, движущийся через катушку из проволоки, создает магнитное поле внутри катушки. Это устройство получило название электромагнит, или соленоид. Плотность генерируемого магнитного поля прямо пропорциональна силе тока и количеству оборотов проволоки в катушке и наиболее высока внутри

Рисунок 9. Трансформатор

Трансформатор состоит из двух проволочных катушек — первичной и вторичной, которые обернуты вокруг железной рамки. Эти устройства позволяют повышать или понижать напряжение переменного тока. В представленном на рисунке случае, когда количество витков провода первичной катушки больше, трансформатор будет уменьшать напряжение тока (понижающий трансформатор). Обратное соотношение размеров катушек создает повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение (и пропорционально снижает силу тока)

Рисунок 10. Конденсаторы не проводят постоянный ток (после начального заряда, который заряжает конденсатор). Переменный ток будет проводиться в степени, зависящей от емкости конденсатора и частоты тока

соленоида (рисунок 8). Если ток является переменным, то и магнитное поле также будет переменным. При определенных условиях это переменное поле генерирует распространяющиеся электромагнитные волны — этот феномен лежит в основе радиопередачи.

Практическое применение электромагнетизма:

•Электрические моторы и генераторы.

•Трансформаторы — повышающие, понижающие,

изолирующие и передатчики сигнала (рисунок 9).

•Соленоидные клапаны — аппараты ИВЛ, газовые

смесители и защитные блокираторы.

•Магнитные «пружины» — например, в вентилято- рах Bird.

•Парамагнитный кислородный анализатор.

•Магнитно-резонансная томография (МРТ).

ЕМКОСТЬ,  ИНДУКТИВНОСТЬ  И  ИМПЕДАНС

Емкость

Емкость характеризует способность предмета накап­ ливать электрический заряд и измеряется в фарадах. Конденсаторы накапливают электрическую энергию и обычно состоят из парных металлических пластин, разделенных непроводящим материалом (диэлектриком). Между пластинами создается разность потенциалов, но постоянный ток не может пропускаться непрерывно, так как пластины разделены диэлектриком. При подаче на пластины постоянного тока заряд накапливается, пока напряжение между пластинами не уравняется с напряжением, подаваемым на пластины, после чего конденсатор становится заряженным.

Конденсаторы могут проводить переменный ток, так как противоположно заряженные пластины разряжаются при изменении направления тока (рисунок 10).

Энергия, запасаемая в конденсаторе, равна:

E = C × V2 . 2

Емкость создается между многими предметами в операционной, которые действуют как пары пластин (например, отведения ЭКГ, пациент, освещение операционной и экраны), а воздух действует как изолятор между ними. Данная емкостная связь создает электростатические помехи. Примером являются помехи от диатермии, которые возникают в результате емкостного сопряжения между изолированным электродом диатермии и электродами ЭКГ. Создавая возможность электрического тока между пластинами, конденсатор разряжается и высвобождает накопленную энергию.

Индуктивность

Индуктивность возникает в цепи переменного или осциллирующего тока. При изменении направления тока связанное с этим магнитное поле (см. выше), возникающее в катушке или петле из проволоки, нарастает или угасает. Колеблющееся магнитное поле индуцирует (наводит) электрический ток, который имеет такое направление, что созданное им магнитное поле препятствует изменениям того магнитного поля, которое вызывает этот индукционный ток (закон Ленца).

Индуктивность пропорциональна частоте изменения тока (частоте переменного тока) и числу оборотов проволоки в катушке. Таким образом, сопротивление электрическому току (импеданс — см. ниже) зависит от частоты.

Импеданс

Это фундаментальное понятие, используемое при описании цепей переменного электрического тока и при обработке сигналов. Импеданс характеризует сопротивление, оказываемое проходящему электрическому току, и является аналогом сопротивления в цепях постоянного тока (подобно сопротивлению измеряется в омах). Импеданс обозначается буквой Z.

Величина импеданса определяется комплексным взаимодействием между частотой сигнала, емкостью, индуктивностью и сопротивлением цепи. Зависимость импеданса от частоты переменного тока позволяет конструировать цепи, обладающие высоким импедансом в одном диапазоне частот и низким — в другом. Подобный принцип используется для создания электронных фильтров.

Электронные фильтры

Фильтры создают низкий импеданс для передачи сигнала в необходимой полосе частот (например, ЭКГсигнал),­ ослабляя все остальные частоты. Фильтры делятся по своим пропускным характеристикам:

•Фильтры высоких частот — пропускают частоты выше какой-то пограничной частоты.

•Фильтры низких частот — пропускают частоты ниже какой-то пограничной частоты.

•Полосный фильтр — пропускает частоты, находящиеся в среднем диапазоне (полоса).

Рисунок 11. Электрическая схема дефибриллятора

Напряжение заряда составляет примерно 5000 вольт, а общая сила тока достигает 35 ампер. Запасенная в конденсаторе энергия составляет 1/2C × U2

Рисунок 16. Дифференциальный усилитель использует «ос­ лабление­ синфазного сигнала» для устранения помех общих для двух отдельных входов, тем самым улучшается соотношение сигнал/шум остаточного сигнала

•Частотная характеристика может изменяться для

повышения усиления в необходимом диапазоне частот (активный фильтр).

•В биомедицинском оборудовании обычно использу- ется дифференциальный вход усилителей, что обес­ печивает значительное улучшение соотношения сигнал/шум.

ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ

Шум

Данная помеха накладывается на основной сигнал. Шум может быть внешним или наведенным внутри монитора. Любые помехи снижают соотношение сигнал/ шум и ухудшают качество получаемой информации.

Источниками помех являются:

•Электростатическая индукция (электрический по- тенциал, индуцированный в теле пациента, расположенном в электрическом поле).

•Электромагнитная индукция.

•Потенциал контактов электродов (Ag–AgCl).

•Артефакты от движения (потенциалы кожи и ин- дукция).

•Сетевые розетки и скачки напряжения.

•Радиочастотная энергия (радиопередача, например,

мобильные телефоны) и диатермия (высокая частота и высокая энергия).

Таблица 1. Макрошок. Эффекты переменного тока частотой 50 Гц, проходящего от одной руки к другой в течение 1 секунды

Сила тока Эффект

<1 мА Нет ощущений — микрошок

1 мА Покалывание

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА ОРГАНИЗМ

Казнь на электрическом стуле является примером убийственного действия электричества на организм. Эффекты электричества, проходящего через организм, зависят от плотности электрического тока и пути его прохождения. Высокая плотность электрического тока высвобождает большое количество энергии и вызывает ожоги. Ток низкой плотности может также быть опасным из-за воздействия на возбудимые ткани, особенно сердце. Ответ на разные уровни электрического тока носит индивидуальный характер.

Существует два основных варианта электротравмы:

1.Макрошок. Сила тока превышает 1 мА и ощущается человеком.

2.Микрошок. Сила тока от 100 мкА до 1 мА, слишком низкая, чтобы ощутить ее, однако может быть опасной, если части оборудования контактируют с сердцем (например, центральная венозная линия).

Микрошок

Порогом развития фибрилляции является ток силой 60–100 мкА (при воздействии изнутри желудочков сердца при помощи электрода малой площади). Ниже порога чувствительности шок ощутить невозможно. Данный феномен получил название микрошок. Снижение электрического сопротивления кожи за счет использования электродов или солевого раствора значительно повышает силу тока при постоянном напряжении.

ДИАТЕРМИЯ

Определение

Образование тепла в тканях организма в результате прохождения электрического тока высокой частоты между двумя электродами, расположенными на поверхности или внутри организма. При специфическом использовании в хирургии высокочастотный ток на кончике диатермического ножа создает достаточное количество тепла для разрезания тканей или коагуляции и гибели клеток, создавая минимальную кровопотерю.

Принцип работы

Источник электрического тока в виде электрохирургического генератора, приложенный к тканям организма, образует простую электрическую цепь, в которой ткани выступают в роли сопротивления. При взаимодействии электрического тока с сопротивлением тканей в тканях образуется тепло. Данное тепло вызывает повреждение тканей. Сопротивление тканей преобразует электрическую энергию в тепловую и вызывает повышение температуры тканей.

Образованное тепло = Затраченная электроэнергия.

Возбудимые ткани очень чувствительны к переменному току низкой частоты, при этом их стимуляция прекращается при частоте выше 100 кГц. Поэтому в диатермии используются токи с частотой от 200 кГц до 5 МГц. В данных пределах частот электрохирургическая энергия вызывает минимальную нейромышечную стимуляцию и сводится на нет риск распространения электрического тока.