Практикум по физике: в 3 ч. Часть 2. Гемодинамика: Учебное пособие

58 Pages·2018·2.777 MB·Russian

by  Сидоров В. П.

БИБЛИОТЕКА ПЕДИАТРИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

В.П. СИДОРОВ

ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ

Часть 2

ГЕМОДИНАМИКА

Санкт-Петербург

0
Министерство В.П. СИДОРОВ
здравоохранения
Российской Федерации

ПРАКТИКУМ
ПО ФИЗИКЕ

Санкт-Петербургский
Часть 2
Государственный
Педиатрический

Медицинский
ГЕМОДИНАМИКА
Университет

Учебное САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
пособие 2018

1
УДК 577.3:612.13
ББК 28.071
С34

Сидоров, В.П.
С34 Практикум по физике: в 3 ч. Учебно-методическое пособие для сту-
дентов 1 курса. / В.П. Сидоров. – СПб.: СПбГПМУ, 2018.
ISBN 978-5-907065-42-0

Часть 2. Гемодинамика. Учебно-методическое пособие для студентов
1 курса. / В.П. Сидоров. – СПб.: СПбГПМУ, 2018. – 56 с.

ISBN 978-5-907065-43-7

«Практикум по физике. Часть 2» – пособие для самостоятельной подготовки
студентов к семинарским занятиям и лабораторным работам при изучении
учебной дисциплины «Физика, математика».
В части 2 сгруппированы материалы по гемодинамике, по следующим раз-
делам: измерение артериального давления, гидродинамика кровеносной систе-
мы, основы электрокардиографии, свойства крови и кровеносных сосудов.
По каждому разделу приведены контрольные вопросы.

Рецензенты:
Немов С.А., д. ф -м. н., профессор. Кафедра технологии и исследования ма-
териалов СПбПУ им. Петра Великого.
Тихомирова А.А., к. э. н., доцент. Кафедра медицинской информатики
СПбГПМУ.

УДК 577.3:612.13
ББК 28.071

Утверждено учебно-методическим советом Государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский
университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

ISBN 978-5-907065-43-7 (ч. 2) © СПбГПМУ, 2018
ISBN 978-5-907065-42-0
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 52

ИЗУЧЕНИЕ ГЕМОДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Цели данной работы:
1. Измерение артериального давления по методу Короткова.
2. Измерение уровня насыщения кислородом артериальной крови и частоты
сердечных сокращений методом пульсоксиметрии.

1. Измерение артериального давления методом Короткова

Для измерения давления крови в клинике применяется бескровный метод,
предложенный в 1905 году сотрудником Военно-медицинской академии
Н.С. Коротковым и быстро получивший всемирное признание.
В основе метода Короткова – измерение минимального давления, которое
необходимо приложить снаружи, чтобы сжать артерию до прекращения в ней
кровотока. Это давление близко к давлению крови в артерии. При этом боль-
шое значение имеет выслушивание звуков, возникающих при прохождении
крови через сжатую манжетой артерию.
Прибор для измерения артериального давления по этому методу – тоно-
метр – состоит из манжеты, нагнетателя (груши) и манометра. Для прослуши-
вания звуков используется фонендоскоп.
Манжета закрепляется в зоне плечевой артерии пациента, то есть на уровне
сердца пациента в его сидячем или лежачем положении. Рука располагается ла-
донью вверх. Между манжетой и поверхностью тела пациента должно поме-
щаться два пальца (для детей и для взрослых с маленьким объемом руки – один
палец). Нижний край манжеты должен располагаться на 2,5 см. выше локтевой
впадины.
Мембрану фонендоскопа следует поместить над плечевой артерией в облас-
ти локтевой впадины, слегка прижав к коже, но не прилагая для этого усилия.
При закрытом выпускном клапане в манжету нагнетают воздух, ритмически
сжимая и отпуская грушу. Давление в манжете контролируется по манометру.
В манжете создается давление, на 20–30 мм рт. столба выше того, при котором
перестает прослушиваться пульс на плечевой артерии. При полностью сжатой
артерии никаких звуков через фонендоскоп не прослушивается.
Затем, медленно открывая выпускной клапан, добиваются плавного сниже-
ния давления воздуха в манжете. Давление должно уменьшаться со скоростью
2–3 мм рт. ст. в секунду; при давлении более 200 мм рт. ст. допускается ско-
рость 4–5 мм/с.
При некотором давлении в манжете, работающее сердце оказывается в со-
стоянии толчками проталкивать кровь через артерию. Начинают прослуши-
ваться отчетливые тоны, называемые начальными. В этот момент времени по-
казания манометра соответствуют максимальному, или систолическому давле-
нию. Прослушиваемые при этом звуки обусловлены вибрацией стенок артерии
при прохождении пульсовой волны.
3
При дальнейшем снижении давления в манжете, начальные тоны дополня-
ются шумами, которые обусловлены турбулентным течением крови в частично
сдавленной артерии.
По мере распрямления стенок артерии и восстановления ее нормального
просвета, турбулентные шумы стихают и в фонендоскопе вновь прослушива-
ются только тоны, называемые последовательными. Эти тоны быстро ослабе-
вают, и затем звуковые явления полностью прекращаются. В этот момент про-
свет артерии полностью восстановился, и в ней устанавливается ламинарное
движение крови.
Показания манометра в момент окончательного исчезновения как турбу-
лентных шумов, так и последовательных тонов, соответствуют минимальному,
или диастолическому давлению крови.
Точный отсчет показаний манометра, соответствующих систолическому и
диастолическому давлению, требует наличия определенных навыков. Навыки
требуются для адекватной реакции на одновременно поступающие слуховые и
зрительные воздействия. Первичные навыки можно приобрести, выполняя дан-
ную работу.

2. Ошибки измерения артериального давления

Наиболее точны результаты измерений артериального давления, если тоно-
метр оснащен ртутным манометром. Во времена Короткова и до недавних пор
давление воздуха в манжете измерялось ртутным манометром. Он представляет
собой U-образную стеклянную трубку, заполненную ртутью, со шкалой, про-
градуированной, разумеется, в миллиметрах ртутного столба. Сейчас ртутные
манометры применяются только в особо точных медицинских исследованиях. В
повседневной практике они запрещены после того, как выяснилась чрезвычай-
ная токсичность паров ртути. На смену ртутным пришли манометры техниче-
ские.
При недостаточных навыках выполнения измерений показания манометра
считываются чуть раньше или чуть позже, чем следует. Это приводит к завы-
шению или занижению результатов измерений. Своевременность реакций дос-
тигается практикой. Не последнюю роль играет в этом деле индивидуальная
острота слуха измеряющего.

Прочие «мелочи»:
- пациенту рекомендуется от трех до пяти минут побыть перед измерением в
состоянии покоя (разумеется, если целью не является измерение давления воз-
бужденного пациента),
- измерения должны производиться при полной тишине,
- результаты измерений могут значительно зависеть от текущего психиче-
ского состояния пациента. Например, установлено, что если давление измеряет
врач, то оно оказывается несколько выше, чем в случае, когда измерения вы-
полняет медсестра. Проявляется неодинаковость реакций психики пациента на
врача и медсестру.
4
Артериальное давление, как очень важный показатель состояния пациента,
должно измеряться часто.

3. Автоматы для измерения артериального давления

Автомат для измерения артериального давления выполняет ту же последова-
тельность операций, которая выполняется по методу Короткова вручную, но –
со следующими особенностями:
1. Воздух накачивается в манжету компрессором с электроприводом. Это
удобно, но главное – не это.
2. Для контроля давления воздуха в манжете вместо манометра использует-
ся датчик давления. Датчик реагирует, во-первых, на текущее среднее значение
давления воздуха в манжете, и во-вторых, на пульсации этого давления, обу-
словленные вибрациями стенок манжеты, а они вызваны пульсациями давления
крови в артерии, расположенной под манжетой. Реакция датчика на обе компо-
ненты давления воздуха отслеживается электронным блоком, анализирующим
электрический сигнал, получаемый на выходе датчика. Именно анализ пульса-
ций давления воздуха в манжете – замена прослушиванию слабых звуков в
районе локтевого сгиба с помощью фонендоскопа.
3. То обстоятельство, что при автоматических измерениях фонендоскоп не
нужен, имеет, как минимум, два преимущества. Во-первых, при проведении
измерений без фонендоскопа на пациенте можно оставить легкую одежду (если
она не будет «глушить» вибрации, передаваемые сквозь стенки манжеты). В
нашем климате необязательность полного «разоблачения» пациента может
быть ему во благо. Во-вторых, если не нужен фонендоскоп, не нужным стано-
вится и требование полной тишины.
4. Автомат выводит результаты своей работы на дисплей, и показывает не
только систолическое и диастолическое давление, но также и частоту пульса.
5. Автоматы для измерения артериального давления становятся все более
привычным инструментом. Доверие к ним постепенно растет. И все же всегда
ли автомат, при его нынешнем уровне совершенства, может заменить человека?
Приведем примеры, когда «не всегда».

Пример 1. При мерцательной аритмии автомат может отреагировать на си-
туацию, высветив на дисплее ERROR (англ. – ошибка) и прервать измерения,
возможно, как раз тогда, когда они особенно необходимы.
Примечание: мерцательная аритмия – фибрилляция предсердий – нарушение
ритма сердца, сопровождающееся частым, хаотичным возбуждением и со-
кращением предсердий или подергиванием (фибрилляцией) отдельных групп
мышечных волокон предсердий.

Пример 2. В некоторых случаях при выпускании воздуха из манжеты полное
исчезновение звуков не наблюдается, даже если манометр показал понижение
давления до нуля. Это может быть в случае, если пациент – спортсмен с боль-
шим ударным объемом крови и хорошими, эластичными сосудами. Но это воз-
можно и в случае обычного пациента с высокой температурой.
5
В ситуациях, подобных рассмотренным в этих примерах, врач должен де-
монстрировать высокий уровень навыков выполнения измерений артериально-
го давления по методу Н.С. Короткова. Вручную. Без автоматики.

4. Контроль насыщения крови кислородом. Сатурация

Уровень насыщения артериальной крови кислородом – жизненно важный
показатель. Сатурацией называют количественный показатель этого уровня, в
процентах от максимально возможного.
Кислород поставляется в ткани и органы эритроцитами – обладателями ге-
моглобина. Одна молекула гемоглобина способна связать до четырех молекул
кислорода. Если в подконтрольном образце крови все молекулы гемоглобина
всех эритроцитов несут по четыре молекулы кислорода, то уровень насыщения
кислородом крови составляет 100%. Об этом говорят так: сатурация равна
100%.
Строго говоря, сатурация в медицине – термин, обозначающий процесс на-
сыщения кислородом, но очень часто сатурация, уровень сатурации – термины,
обозначающие показатель эффективности этого процесса. Позволим себе и
мы эту двусмысленность.
Итак, максимально возможная сатурация артериальной крови равна 100%,
вполне комфортным и для взрослого, и для ребенка является уровень 98–95%.
Однако уход сатурации на уровень 94% – уже серьезный повод для беспо-
койства: врач должен принимать серьезные меры по борьбе с начинающейся
гипоксией.
Критичной считается сатурация 90%, поскольку если ничего не предприни-
мать, то при таком уровне сатурации начинаются необратимые изменения в
тканях и органах.
Наиболее чувствительны к кислородному голоданию головной мозг, мио-
кард, ткани почек и печени.
Тот факт, что рабочий диапазон значений сатурации – лишь верхние 10 % от
стоградусной шкалы, не следует считать признаком ограниченной ценности са-
мого этого показателя – «уровень сатурации». Для сравнения: нормальное ат-
мосферное давление – 760 мм рт. ст. – тоже довольно высоко от нуля, а в ме-
теосводках обсуждается диапазон 730–780 мм.

5. Методы контроля сатурации

До недавних пор контроль уровня насыщения крови кислородом осуществ-
лялся только инвазивными методами: забором проб для анализа содержания га-
зов. В настоящее время появился и все шире внедряется новый метод контроля
сатурации артериальной крови – пульсоксиметрия.
Термин «пульсоксиметрия» отражает то обстоятельство, что для «оксимет-
рии», то есть для изменения уровня содержания кислорода, здесь принципиаль-
но важна пульсовая волна, точнее – ее слабые отголоски в капиллярах, несущих
артериальную кровь.
6
Пульсоксиметрия – метод, имеющий следующие достоинства:
- не инвазивен;
- установка прибора на пациенте занимает считанные секунды;
- обеспечивается получение непрерывно обновляемой информации об уров-
не сатурации и о частоте сердечных сокращений;
- пульсоксиметр прост в обращении, компактен и не дорог: по цене соизме-
рим со стипендией.

6. Принцип работы пульсоксиметра

Пульсоксиметр одевается на палец руки и упруго прижимается двумя поло-
винами корпуса к тканям пальца в районе ногтя. В одной половине корпуса на-
ходятся источники излучения, в другой – датчики регистрации излучения, про-
шедшего сквозь ткани пальца.
Источники излучения:
- светодиод красного света; излучает в диапазоне длин волн 600–750 нм;
- инфракрасный светодиод; излучает в диапазоне 850–1000 нм.
Неожиданным для большинства оказывается тот факт, что красный свет (а
тем более инфракрасный) способен проходить сквозь такую внешне непрозрач-
ную преграду, как палец (да еще и с ногтем). Но, оказывается, видимый свет
способен проходить сквозь не слишком толстые преграды: палец, нос, мочка
уха и т. п. Разумеется, он при этом, подчиняясь закону Бугера-Ламберта, мно-
гократно ослабляется, но – не до нуля! Имея достаточно чувствительные дат-
чики, удается надежно регистрировать эти слабые световые потоки.

Рис. 1. График зависимости коэффициента поглощения от длины волны.

На рис.1 представлены спектры поглощения гемоглобина в двух его состоя-
ниях:
7
- кривая 1 – оксигенированный гемоглобин (насыщенный кислородом) луч-
ше поглощает излучение инфракрасного светодиода 850–1000 нм (кривая 1
проходит здесь несколько выше, чем кривая 2).
- кривая 2 – деоксигенированный гемоглобин (не насыщенный кислородом),
наоборот, лучше поглощает свет красного светодиода 600–750 нм; здесь, на-
оборот, кривая 2 проходит значительно выше, чем кривая 1.

Подчеркнем, что поглощение света происходит обеими формами гемоглоби-
на на обоих рабочих диапазонах длин волн пульсоксиметра. Речь идет о пред-
почтениях: оксигенированный гемоглобин лучше поглощает инфракрасное из-
лучение, а деоксигенированный – охотнее поглощает красный свет.

7. Поручения электронному блоку пульсоксиметра

В компактном пульсоксиметре найти электронный блок как автономный
элемент конструкции вы не сумеете: он "где-то внутри". Но задачи, стоящие
перед ним, достаточно серьезные: он должен преобразовать сигналы двух дат-
чиков в показатели уровня сатурации и частоты сердечных сокращений (ЧСС).
И делать это он должен, непрерывно обновляя свои показания.
Рассмотрим логически обоснованные поручения для электронного блока
пульсоксиметра.

7.1. Основное поручение

Исходное положение: пульсоксиметр включен; два датчика, "красный" и
"инфракрасный", регистрируют интенсивность излучений, создаваемых двумя
светодиодами, расположенными напротив них. При отсутствии пальца в пуль-
соксиметре, сигналы датчиков соответствуют двум значениям интенсивности I
0
излучений, даваемых светодиодами при отсутствии поглощающей преграды.
Блок их запомнил.
Следующая экспозиция: в пульсоксиметр помещен палец. Сигналы датчиков
уменьшились, стали соответствовать двум значениям интенсивности I. Блок за-
помнил и это.
Вычислив отношение I/I по каждому из двух световых потоков, блок полу-
0
чит ответ на вопрос, каковы коэффициенты ослабления по красному и по ин-
фракрасному излучению в пальце пациента.
По этим данным вычисляется безразмерная величина r, показывающая, во
сколько раз поглощение инфракрасного излучения превосходит поглощение
красного.
Обозначим уровень сатурации артериальной крови через S. Учитывая слож-
ный характер кривых – спектров поглощения рис 1, и то, что светодиоды светят
в достаточно широких диапазонах длин волн, можно предполагать сложный
вид зависимости S(r). Она устанавливается с требуемой точностью в специаль-
ных калибровочных экспериментах и занесена в память электронного блока.
Ему же остается для любого текущего значения r находить в своей памяти со-
8
ответствующее значение сатурации S, и выводить этот результат на монитор
пульсоксиметра в режиме онлайн.

7.2. Предварительное поручение

Все, что мы только что обсудили, электронный блок будет выполнять, но пред-
варительно он должен выполнять некоторые преобразования сигналов, получае-
мых от датчиков. Цель этих преобразований – выделить в электрическом сигнале
каждого датчика переменную составляющую и избавиться от постоянной.
Электрический сигнал на выходе каждого из датчиков можно представить в
виде следующей функции:

U(t) = U + U (t) (1)
пост пульс

Здесь U постоянная составляющая сигнала, соответствующая поглоще-
пост –
нию излучения в постоянной крови, всегда имеющейся в пальце: в уходящей
венозной крови, в костных и мышечных тканях пальца;
U (t) – переменная во времени реакция датчика на пульсации свежей ар-
пульс
териальной крови в капиллярах пальца. Эти пульсации мы назвали в предисло-
виях «отголосками пульсовых волн».
Принято считать, что артериальная пульсовая волна, ослабевая по мере рас-
пространения, на входе в капиллярную систему уже не ощутима. Это верно в
том смысле, что пульсации давления, создаваемые пульсовой волной на под-
ступах к капиллярам, так слабы, что деформаций стенок сосудов уже не вызы-
вают. Но молекулярный механизм передачи пульсаций давления в жидкостях
продолжает действовать. Пульсовая волна в крупных сосудах создает низкочас-
тотную звуковую волну и в капиллярах. Амплитуда пульсаций в этой звуковой
волне весьма мала, но велика чувствительность оптических датчиков.
Чтобы избавиться от U в функции (1), достаточно взять от нее производ-
пост
ную:

U´(t) = U´ + U´ (t)= U´ (t)
пост пульс пульс (2)

(здесь учтено, что производная от постоянной величины равна нулю).
Чтобы произвести преобразования (2) с «живым» электрическим сигналом,
получаемым на выходе датчика, его следует пропустить через давно известную
в электронике дифференцирующую цепочку –
RC-цепочку, состоящую из резистора R и конденсатора C (рис. 2).
На правой половине этого рисунка демонстрируются возможности RC-
цепочки: показано, как она преобразует входной сигнал, имеющий вид прямо-
угольного импульса. На выходе цепочки получены: положительный всплеск
потенциала, соответствующий стремительному нарастанию прямоугольного
импульса, и отрицательный всплеск – по поводу резкого убывания потенциала
в импульсе, на стадии, когда импульс заканчивает свое существование. На уча-
стках постоянства входного сигнала, выходной сигнал практически равен нулю.
9