83

Лабораторная работа № 1.9 физические основы измерения артериального давления крови. Знакомство с аппаратом для измерения давления крови - иад-1

Мотивационная характеристика темы. Одним из важных параметров гемодинамики - раздела биомеханики, изучающего движение крови, является артериальное давление. В связи с чем методы его измерения являются актуальными для медицинского работника

Цель лабораторной работы.

Изучить физические основы клинического метода измерения давления крови. Познакомиться с аппаратом для измерения давления крови - ИАД-1. Научиться косвенно измерять систолическое и диастолическое артериальное давление крови по методу Короткова.

Знать	Уметь
1.Чем определяется давление в текущей жидкости ? 2.Формулировку и запись уравнения Бернули и его следствий. 3.Как определяются статическое, гидростатическое и динамическое давления. 4.Какое давление определяется в методе Короткова.	1.Пользоваться аппаратом для измерения артериального давления крови ИАД-1. 2.Объяснить физический смысл шумов Короткова. 3.Объяснить физический смысл систолического и диастолического давлений.

Литература:

1.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1999, Гл. 11.

1.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1987, Гл.11.

2.А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. М., 1982, Гл.8.

Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний

1. Как объясняется явление внутреннего трения (вязкость) жидкости? Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

2. От чего зависит характер течения жидкости? Число Рейнольдса.

3. Запишите и проанализируйте уравнение Бернули.

4. Как распределяется давление при течении реальной жидкости по трубам постоянного, переменного сечения и разветвленным?

5. Проанализируйте механические и электрические модели кровообращения, в чем их особенности? Ударный объем крови.

6. Объясните физические основы клинического метода измерения давления крови.

Краткая теория

Уравнение Бернулли. Давление в потоке жидкости. В стационарном потоке идеальной несжимаемой жидкости вырежем отсек тонкой трубки тока (рис.1) между сечениями S₁ и S₂ . Во входном сечении S₁ давление p₁, скорость u₁ и высота сечения над произвольным уровнем h₁; в выходном сечении S₂ соответственно p₂, u₂, h₂. За промежуток времени Dt масса входящей в отсек жидкости равна массе жидкости, выходящей из отсека.

Рис.1 К выводу уравнения Бернулли

Масса жидкости, протекающей за время Dt через сечение S₁, имеет кинетическую энергию, равную и обладает потенциальной энергией mgh₁. В результате действия сил давления на сечения S₁ и S₂ со стороны слоев жидкости, находящихся слева от S₁ и справа от S₂, производится работа

A = p₁S₁l₁ - p₂S₂l₂

где путь l₁ за время Dt равен l₁= uDt, а путь l₂= u₂Dt. Следовательно, работа А, совершаемая потоком, равна

A = p₁S₁u₁Dt - p₂S₂u₂Dt

Полная энергия потока, протекающего за время Dt через входное сечение S₁, будет ,

а через сечение S₂

Между сечениями S₁ и S₂ аккумуляции энергии нет. Изменение полной энергии жидкости равно работе, совершенной внешними силами, т.е.

+ mgh₁- - mgh₂= p₂ S₂ u₂ Dt - p₁ S₁ u₁Dt (1)

Согласно уравнению неразрывности объемы, входящие в S₁ за время Dt и выходящие через S₂, одинаковы, поэтому можно записать

S₁u₁Dt = S₂u₂Dt = V

Разделив левую и правую части уравнения (1) на V и используя формулу плотности

r =

получаем уравнение Бернулли для двух различных сечений трубки тока

r+ rgh₁ + p₁= r+rgh₂+ p₂ (2)

Если весь поток разбить на тонкие трубки тока, то для каждого сечения будет справедлива такая запись уравнения Бернулли:

r +rgh + p = const, (3)

где слагаемое р называется статическим давлением; член, содержащий скорость и имеющий размерность давления, т.е. r , называется динамическим давлением.

Это уравнение лежит в основе решения многих задач гидродинамики. Оно применимо для таких маловязких жидкостей, как вода, и во многих случаях для воздуха.

В качестве следствий из уравнения Бернулли рассмотрим два случая: горизонтальное течение жидкости и истечение жидкости из отверстия.

1. При горизонтальном течении жидкости (например, в горизонтальной трубе) h = const, поэтому в уравнении (3) выпадают члены, содержащие h, и оно принимает вид:

, (4)

т.е. при горизонтальном течении жидкости сумма динамического и статистического давлений не меняется при отсутствии трения.

Рис.2. Манометры

Статистическое давление измеряется с помощью манометра, нижний срез которого параллелен направлению потока (рис.2). Если же измерительная трубка имеет изгиб и отверстие трубки направлено навстречу потоку, то частицы жидкости, входя в отверстие, будут тормозиться, т.е. возникает сила торможения, и трубка покажет большое давление. Манометр называется трубкой Пито, он измеряет полное давление - сумму статистического и динамического (скоростного) давлений. Разность уровней в трубках 2 и 1 определяет динамическое давление. На этом основано изменение скорости потока или скорости тел, движущихся в жидкостях или газе, например, скорости макетов самолетов в аэродинамических трубах.

2. При истечении жидкости из отверстия (рис.3) будем считать, что внешнее давление р (например, атмосферное) неизменно и выходное отверстие по сечению мало в сравнении с площадью поверхности жидкости в сосуде.

Рис.3. Истечение жидкости из отверстия

Скорости v частиц жидкости в сечении выходного отверстия считаем одинаковыми. Одинаковыми будут и скорости движения частиц поверхности, так как поверхность остается горизонтальной. Напишем уравнение Бернулли для любой трубки тока, одно сечение которой лежит на выходном отверстии, другое на поверхности жидкости в сосуде:

или перепишем его в виде

Так как h₁- h = H и скорость u >> u, то членом uможно пренебречь, и мы получим

откуда

(5)

Следовательно, скорость истечения будет такой же, как и в том случае, если бы частицы жидкости падали свободно с высоты Н.

Формула (5) справедлива как для боковых, так и для донных отверстий и не зависит от угла наклона выходного отверстия.

Физические основы клинического метода измерения давления крови. Физический параметр - давление крови - играет большую роль в диагностике многих заболеваний.

Систолическое и диастолическое давления в какой-либо артерии могут быть измерены непосредственно с помощью иглы, соединенной с манометром. Однако, в медицине широко используется бескровный метод, предложенный Н.С. Коротковым. Рассмотрим физические основы этого метода на примере измерения давления в плечевой артерии.

Вокруг руки между плечом и локтем накладывают манжету. Сечения манжеты М, части руки Р, плечевой кости П и плечевой артерии А показаны на рис.4а -- 6а. При накачивании воздуха через шланг В в манжету рука сжимается. Затем через этот же шланг воздух выпускают и с помощью манометра Б измеряют давление воздуха в манжете. На поз. Б тех же рисунков изображены продольные сечения плечевой артерии, соответствующие каждому случаю. Сначала избыточное над артериальным давление воздуха в манжете равно нулю (рис.4), манжета не сжимает руку и артерию. По мере накачивания воздуха в манжету последняя сдавливает плечевую артерию и прекращает ток крови (рис.5). Если мускулатура расслаблена, то давление воздуха внутри манжеты, состоящей из эластичных стенок, приблизительно равно давлению в мягких тканях, соприкасающихся с манжетой. В этом заключается основная физическая идея бескровного метода измерения давления.

Рис.4 - 6. Физические основы метода Н.С.Короткова

Выпуская воздух, уменьшают давление в манжете и мягких тканях, с которыми она соприкасается. Когда давление станет равным систолическому, кровь будет способна пробиться через сдавленную артерию - возникает турбулентное течение (рис. 6).

Характерные тоны и шумы, сопровождающие этот процесс, прослушивает врач при измерении давления, располагая фонендоскоп на артерии ниже манжеты, Продолжая уменьшать давление в манжете, можно восстановить ламинарное течение крови, что заметно по резкому ослаблению прослушиваемых тонов. Давление в манжете, соответствующее восстановлению ламинарного течения в артерии , регистрируют как диастолическое.

Рис.7. Аппараты для измерения артериального давления

Для измерения артериального давления применяют приборы, показанные на рис.7: а - сфигмоманометр с ртутным манометром, б - сфигмотонометр с металлическим мембранным манометром; здесь - М - манжета, Г - груша для накачивания воздуха, Р - манометр.

Аппарат для измерения артериального давления ИАД-1. Измеритель артериального давления ИАД-1 ( далее измеритель) является электронным прибором, предназначенным для косвенного измерения систолического (верхнего) и диастолического (нижнего) артериального давления крови по методу Короткова.

При использовании данного измерителя для измерения артериального давления крови отпадает необходимость применения стетофонендоскопа.

Высокочувствительный датчик, встроенный в манжету, позволяет производить измерения артериального давления крови, не оголяя плеча, т.е. через рубашку или другую легкую одежду.

Основные технические характеристики:

1. Пределы измерения , мм.рт.ст. от 20 до 300

2. Предел допускаемой основной погрешности м.рт.ст. +4

3. Температура окружающей среды, при которой измеритель сохраняет правильность показаний, ^оС от + 10 до + 35

Устройство измерителя. Внешний вид измерителя изображен на Рис. 8. Измерительный блок 1 имеет встроенный манометр 2, световой индикатор 3 разряда батарей, световой индикатор 4 регистрации тонов Короткова, гнездо 11 для подключения датчика - «ДТК», гнездо 12 для подключения манжеты - «Воздух», перфорацию 14 на лицевой панели для выхода звукового сигнала..

Рис.8

1 - измерительный блок; 2 - манометр; 3 - световой индикатор разряда батарей; 4 - световой индикатор регистрации тонов Короткова; 5 - компрессионная манжета; 6 - метка расположения датчика ДТК-1М; 7 - резиновая трубка; 8- тройник пневматического нагнетателя; 9 - пневматический нагнетатель; 10 - конусная муфта; 11 - гнездо подключения конусной муфты; 13 - штекер датчика; 14 - перфорация; 15 - вентиль тройника . (Рис.8.)

Компрессионная манжета 5 представляет собой резиновый мешок, помещенный в чехол. От нее6 отходит резиновая трубка 7 и шнур датчика. Шнур датчика заканчивается штекером 13. Через тройник 8 пневматического нагнетателя 9 резиновая трубка при помощи конусной муфты 10 подключается к измерительному блоку. Тройник пневматического нагнетателя снабжен вентилем, с помощью которого осуществляется плавное или ускоренное снабжение давления в манжете.

Рис.9 1 - металлическая скоба; 2 - пилот датчика; 3 - датчик ДТК - 1М; 4 - шнур датчика; 5 - карман для установки датчика; 6 - метка расположения датчика ДТК - 1М; 7 - резиновая трубка; 8 - текстильная застежка.

На Рис.9 показано, как устанавливается датчик 3 в карман % манжеты. На месте расположения датчика нанесена специальная метка 6 Пилот 2 датчика должен быть обращен к поверхности манжеты, которая прикладывается к плечу. На чехле манжеты имеется текстильная застежка 8, состоящая из петельной или крючковой ленты, с помощью которой осуществляется фиксация манжеты на плече (Рис.10).

На одном конце манжеты имеется металлическая скоба 1, на другом - резиновая трубка, вшитая в чехол.

Датчик устанавливается пилотом к поверхности манжеты, которая прикладывается к плечу.

Рис.10

Принцип работы измерителя. Принцип работы измерителя заключается в выделении и преобразовании тонов Короткова в звуковую и световую индикации с одновременным визуальным наблюдением за величиной артериального давления крови на стрелочном манометре.

По окончании измерения для быстрого стравливания воздуха нужно разъединить конусную муфту 10 от гнезда 12 при давлении в системе не более 100 мм.рт.ст.