Анализ медико-технических средств

Широко применяемые в современной практической медицине методы определения объёмной скорости кровотока являются по своей сути интегральными, т. е дающими представление об усреднённом значении скорости кровотока по всему организму, либо по отдельному органу. Между тем именно локальное значение объёмной скорости позволяет вычислить гидравлическое сопротивление участка сосуда, а, следовательно, внутренний его диаметр на этом участке.

Ультразвуковые измерители объемного потока

Принцип действия

Флоуметры (расходомеры) используют принцип измерения времени прохождения ультразвука в движущейся среде для определения потока крови или других жидкостей от 0,05 мл/мин до 200л/мин.

Датчик для измерения объемного расхода жидкости состоит из контактной измерительной головки, содержащей приемный и излучающий пьезопреобразователи, размещенные с одной стороны сосуда или трубки, и акустического отражателя, закрепленного с противоположной стороны на одинаковом расстоянии от обоих преобразователей.

Электронная схема прибора управляет датчиком в следующем режиме:

1. Прямой цикл:

Излучающий пьезопреобразователь под воздействием электрического возбуждения испускает плоскую ультразвуковую волну. Эта волна проходит сквозь сосуд или трубку, отражается от акустического экрана, снова проходит через сосуд и принимается приемным пьезопреобразователем, который преобразовывает полученные акустические вибрации в электрические сигналы. Расходомер анализирует принятый сигнал и регистрирует точно измеренное время прохождения акустической волны от излучающего до приемного преобразователя.

2. Обратный цикл:

Последовательность передачи-приема сигнала предыдущего цикла повторяется, но функции излучающего и приемного преобразователей меняются местами. Таким образом, теперь поток жидкости пересекает ультразвуковую волну в противоположном направлении. Расходомер снова регистрирует точное время прохождения.

Ультразвуковая проводящая среда, т. е. поток крови или другой жидкости через сосуд или трубку, будет влиять на измеренное время прохождения точно так же, как ветер влияет на время полета самолета, «подталкивая» его, или течение воды на скорость пловца. В прямом цикле звуковая волна на всем пути прохождения, как до, так и после отражения от акустического экрана, направлена против составляющей вектора потока, что увеличивает общее время прохождения на некоторую величину. В обратном цикле направление ультразвуковой волны совпадает с направлением вектора потока как до, так и после отражения от экрана, что уменьшает общее время прохождения на ту же самую величину. Затем расходомер вычитает время прохождения обратного цикла из времени прохождения прямого цикла, и, полученная в результате разность сигналов будет пропорциональна потоку движущейся жидкости. Нетекучие материалы, находящиеся в области измерения потока жидкости, — стенки сосуда или трубки — не влияют на разность сигналов. Вследствие двукратного прохождения ультразвуковой волны через поток, время прохождения в значительной степени не зависит от перекосов (несоосности) датчика и сосуда.

Разница между временем прямого и обратного прохождения, измеренная прибором, пропорциональна потоку жидкости в части сосуда, расположенной под преобразователями:

Tпрвремя прохождения луча в прямом направлении.

Tобрвремя прохождения луча в обратном направлении К — системная константа.

f — рабочая частота.

Q — объемный расход.

c — скорость звука.

? — угол между направлениями ультразвукового луча и потоком.

Затем полученный результат масштабируется в соответствии со значением предела измерений по шкале прибора для датчика и выводится на дисплей как абсолютный объемный расход потока через датчик в мл/мин (л/мин). Нет необходимости вычислять величину поперечного сечения сосуда, как это делается в электромагнитных или доплеровских системах, измеряющих скорость перпендикулярно хорде или в точке сосуда. В системах широкий ультразвуковой пучок полностью пронизывает акустическое окно датчика, включая все внутреннее поперечное сечение сосуда.

Разница между измеренным временем прохождения ультразвука в прямом и обратном направлениях дает сигнал, пропорциональный объемному расходу, независимо от размеров. Благодаря тому, что флоуметры используют широколучевые преобразователи, полностью пронизывающие весь поток внутри сосуда, каждая часть потока непосредственно влияет на увеличение или уменьшение времени прохождения ультразвуковой волны, так, что разница между прямым и обратным прохождениями прямо пропорциональна объемному расходу жидкости через чувствительное окно датчика.

Этот прямой метод, использующий полное ультразвуковое просвечивание потока, аналогичен операции математического интегрирования измерений узким пучком по площади внутреннего поперечного сечения сосуда. Таким образом, время прохождения прямо пропорционально произведению площади поперечного сечения потока и средней скорости жидкости, которое по определению есть объемный расход. Технический прием полного просвечивания потока позволяет проводить измерения объемного расхода независимо от размеров сосуда (т.е. для данного объемного расхода, уменьшение вдвое площади поперечного сечения приводит к удвоению значения скорости, а разница времени прохождения остается постоянной). Независимость измерений от диаметра и профиля сосуда дает возможность применять прибор например, на пульсирующих артериях и расширяющихся сосудах, на сосудах изменяющейся формы и даже на пучках сосудов.

Выпускается несколько моделей расходомеров:

1) Интраоперационный измеритель кровотока.

Рис. 1 Интраоперационный измеритель кровотока в сосудахHT107

Флоуметр НТ107/207 (выпускаются одноканальные и двухканальные модели) предназначен для измерения объемного кровотока в сосуде во время операции. Встроенный в прибор микропроцессор определяет значение объемного потока в соответствии с размером датчика и калибровкой, поддерживает точность выборки данных, контролирует прохождение ультразвука, представляет данные на табло прибора и формирует информацию для персонального компьютера. Размер датчика выбирается в соответствии с размерами сосуда, например, датчик Н8 — для измерения кровотоков в сосудах диаметром 6,6 — 8,8 мм. Таким образом, с помощью флоуметров можно измерять объемный поток в сосудах диаметром от 0,7 до 36 мм. Типа «Basic — R или S» — без ручки, легкий, позволяющий фиксировать датчик на сосуде с помощью подвижной пластины. Буква «R» или «S» определяет угол наклона пьезопреобразователей и, соответственно, размер датчика и его абсолютную погрешность. «R» имеют больший размер и лучшие точностные качества, поэтому предпочтительнее для маленьких сосудов (0,7- 2,5 мм). С 1997 года начался выпуск новой модели флоуметра — HT311 с встроенным самописцем. Новый прибор выполняет все функции прежней модели HT107 и имеет одну новую: измерение кровотока в сосудах малого диаметра (1−3 мм) при нейрохирургических операциях. Специально разработаны для этих целей одноразовые датчики удобной конструкции.

Рис. 2. Интраоперационный ультразвуковой измеритель кровотока в сосудах HT311

Особенно широко флоуметры используются в сердечно-сосудистой хирургии, трансплантологии, нейрохирургии. Позволяют оперативно оценить результат реконструктивной операции.

2) Интраоперационный измеритель кровотока в системах искусственного кровообращения и для контроля качества гемодиализа.

Флоуметры HT109(новая модель — НТ110) предназначены для измерения объемных потоков в системах искусственного кровообращения, HD01-для контроля качества гемодиализа. Неинвазивно, в режиме реального времени, измеряет рециркуляцию, сердечный выброс, кровоток артерио-венозной фистулы.

Принцип действия. Скорость ультразвука в крови (1560−1590 м/сек) зависит в основном от концентрации в ней белков, солей. Флуометр Transonic Монитор для гемодиализа с датчиком потока может измерять объемный поток в трубке и скорость ультразвука в крови. Болюсное введение раствора с известными свойствами (скорость ультразвука 1533 м/сек) вводится поток крови и уменьшает скорость ультразвука, что приводит к появлению регистрируемой кривой разведения. Лазер-доплеровские флоуметры BLF-21 (одноканальный и двухканальный) — для измерения кровоснабжения в 1 мм³ ткани.

Рис. 3. Лазер-доплеровский флоуметр BLF-21 для измерения кровоснабжения ткани

Малый уровень излучаемой энергии (<2mW) делает приборы совершенно безопасными. Они незаменимы для:

• — постоянных измерений капиллярной микроциркуляции — с помощью поверхностных датчиков;
• — во время операций на органах — с помощью поверхностного

Приборы используются для диагностики в кардиологии, ревматологии, при диабете, при ожогах (в том числе электрических и ингаляционных), для оценки степени поражения ткани при огнестрельных ранениях, для мониторинга в сосудистой хирургии, в стоматологии Во второй главе были описаны технические характеристики медико-технических средств и принципы их работы.