Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 11
1.1. Ишемический каскад 11
1.2. Утрата сократимости миокарда при экспериментальной ишемии: динамика и «инверсия» 13
1.3. Первые применения емкостных и индуктивных датчиков для дистантной регистрации биомеханических процессов у человека 18
1.4. Асинергии - биомеханические проявления ишемической болезни сердца 22
1.5. Кинетокардиография 25
1.6. Первые попытки создать бесконтактный кинетокардиограф 27
1.7. Кардиокимография 31
1.7.1. Начальный этап 31
1.7.2. Первые испытания в клинике и на животных 34
1.7.3. Свойства «дистантного кардиографа» как измерительного устройства 38
1.7.4. Исследования в США с участием Р, Васа 41
1.7.4.1. Экспериментальное исследование 43
1.7.4.2. Клинические исследования 45
1.7.5. Другие исследования в США 57
1.7.6. Перелом в истории кардиокимографии 58
1.7.7. Дальнейшие клинические исследования 63
1.7.8. Многоцентровое исследование 66
1.7.9. Исследования в Японии 69
1.7.10. Австрийские и немецкие исследования 72
1.7.11. Компьютерная кардиокимография 75
1.7.12. Английский эпизод 83
1.7.13. Китайский вариант кардиокимографа 86
Глава II. Создание устройства для кардиокимографии 87
2.1. Новый принцип кардиокимографии 87
2.2. Измерительная система кардиокимографа 89
2.3. Техническое решение кардиокимографа 94
2.3.1. Генератор 94
2.3.2. Емкостный датчик 95
2.3.3. Перемножитель 97
2.3.4. Фильтры 97
2.3.5. Блок гальванической развязки 99
2.3.6. Источник питания 99
2.3.7. Ввод сигнала в компьютер 100
2.3.8. Размеры и вес кардиокимографа 100
2.4. Технические характеристики прибора 102
2.4.1. Измерительные свойства кардиокимографа 102
2.4.2. Нелинейность зависимости емкости от расстояния между обкладками конденсатора 103
2.4.3. Характеристика шума прибора 105
2.5. Программное обеспечение для регистрации и обработки кардиокимограмм 107
2.5.1. Возможности обрабатывающей программы 107
2.5.2. Запись данных на жесткий диск компьютера 108
2.5.3. Фильтрация медленных волн, обусловленных дыханием 108
2.5.4. Когерентное усреднение кардиокимограмм 109
Глава III. Методы исследований и материал 110
3.1. Методы регистрации 110
3.1.1 Электрокардиограмма 110
3.1.2. Кардиокимограмма 111
3.1.3. Фонокардиограмма 114
3.1.4. Пневмограмма 114
3.2. Протоколы исследований 115
3.2.1. Исследования в покое: лежа и сидя 115
3.2.2. Кардиокимографическое исследование во время велоэргометрическои ЭКГ пробы 116
3.3. Характеристика лиц, включенных в исследование 117
Глава IV. Результаты испытаний кардиокимографа и их обсуждение. 119
4.1. Введение 119
4.2. Кардиокимограммы здоровых испытуемых 122
4.2.1. Форма кардиокимографических кривых 122
4.2.2. Карты кардиокимографических кривых 133
4.2.3. Воспроизводимость формы кардиокимограмм 138
4.2.4. Регистрация «верхушечного» толчка 142
4.2.5. Дыхательный компонент сигнала кардиокимографа 145
4.3. Выявление изменений формы кардиокимограмм у больных, перенесших инфаркт миокарда 148
4.4. Кардиокимографические исследования во время велоэргометрическои ЭКГ пробы у лиц с предполагаемой ишемической болезнью сердца. 152
4.4.1. Влияние положения тела на кардиокимограмму 152
4.4.2. Явления, затрудняющие кардиокимографические исследования при нагрузочной пробе 157
4.4.3. Результаты нагрузочной пробы на вертикальном вел оэр го метре и их анализ 157
Выводы 163
Библиографический список 164
- Утрата сократимости миокарда при экспериментальной ишемии: динамика и «инверсия»
- Первые попытки создать бесконтактный кинетокардиограф
- Измерительная система кардиокимографа
- Кардиокимографическое исследование во время велоэргометрическои ЭКГ пробы
Введение к работе
Ишемическая болезнь сердца (ИБС) и ее осложнения все еще остаются «убийцей № 1». Центральное место в инструментальной диагностике ИБС принадлежит нагрузочной ЭКГ пробе. Впервые изменения ST сегмента ЭКГ при мышечной нагрузке зарегистрировал Эйнтховен (1908 г.), но использование ЭКГ для диагностики стенокардии началось лишь в 1932 г. Однако относительно низкая чувствительность этой пробы — 68 % [Detrano et al, 1989] - привела ряд кардиологов, особенно в США, к отказу от нагрузочной пробы в пользу более совершенных, но и более дорогостоящих диагностических исследований. Тем не менее, другие видные кардиологи, в частности Фройлихер [Froelicher, 2000], считают подобный отказ преждевременным, так как оптимизация пробы может обеспечить результаты не хуже, чем более совершенные (ультразвуковые, радиационные), но и более дорогие методы..
Чувствительность нагрузочной пробы можно повысить, если во время мышечной работы или сразу после нее (велоэргометрия, тредмилл) будут обнаружены характерные для ИБС изменения не только ЭКГ, но и локальной сократимости сердца. У здорового человека вся передняя стенка левого желудочка (ЛЖ) при систоле несколько смещается в грудную полость, увлекая за собой мягкие ткани межреберий. При ИБС сократимость участка миокарда этой стенки, не получающего при мышечной работе необходимого объема крови, понижается. При систоле такой участок не способен развить напряжение, достаточное для противодействия повышающемуся давлению в ЛЖ. Поэтому он образует «выпячивание» [Горлин, 1980] и приближается к стенке грудной полости, оттесняя мягкие ткани межреберий «наружу». Именно такое их малое смещение и является диагностическим признаком ИБС. Регистрировать низкочастотные смещения мягких тканей межреберий позволяет метод, названный кардиокимографией. Метод кардиокимогра-фии неинвазивен, прост в использовании и недорог. Многоцентровое исследование в США [Weiner et al., 1985] показало, что кардиокимография (ККГ), применяемая как дополнение к обычной ЭКГ через 1-2 минуты после окончания мышечной нагрузки, улучшает как чувствительность, таки специфичность пробы (> 90 %). Как дополнительный к ЭКГ метод кардиокимографии с 1988 г. официально разрешен в США для клинического применения [Handelsman, 1988]. На современном этапе, благодаря использованию компьютера [Paulat, 1991], ККГ можно применять во время пробы с мышечной нагрузкой. Это позволяет сократить длительность пробы и тем самым уменьшить нагрузку, так как при недостаточном кровоснабжении (ишемии) ЛЖ нарушения его локальной сократимости возникают еще до изменений ЭКГ.
Создание компьютерной ККГ [Paulat, 1991] значительно усовершенствовало метод. Тем не менее, с начала 90-х гг. предыдущего века в США, а к концу того же периода и в Германии публикации о результатах применения этого метода практически прекратились. На письменные запросы о причине этого явления проф. Даймонд (США) и д-р Геринг (Германия) ответили одинаково: врачи-кардиологи не слишком заинтересованы методом ККГ, так как его диагностическое применение очень дешево и медицинские страховые компании столь малые затраты не возмещают. Вместе с тем, д-р Геринг заметил, что постоянное повышение стоимости медицинского обслуживания должно привести к необходимости более рентабельных (чем, например, ультразвуковые и радиационные) устройств для неинвазивной диагностики ИБС, и в частности, компьютерной кардиокимографии. Поиски в Интернете (январь 2000 г.; ноябрь 2003 г.) подтвердили, что показания к применению кардиокимографии, официально ^встждеКные в США еще в 1991 г., остаются в силе (программы "Medicar "ft т^Жащ^Щименёмге мето-
-~i
oV^Wj
да оплачивается лишь некоторым лицам, начиная с 65 лет, при условии использования его совместно с нагрузочной ЭКГ пробой и при следующих медицинских показаниях: для мужчин - атипичная грудная жаба и боли в грудной клетке неишемического происхождения, для женщин - типичная или атипичная грудная жаба.
Актуальность проблемы. В нашей стране метод кардиокимографии не применяется и остается практически неизвестным. Поэтому разработка этого метода и изучение его применимости во время вьшолнения нагрузочной велоэргомегрической пробы является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с комплексным проектом "Разработка методов диагностики и лечения больных ишемической болезнью сердца", подпрограммой "Национальные приоритеты в медицине и здравоохранении", проводимых Российским кардиологическим научно-производственным комплексом Минздрава России.
Цель работы — создать кардиокимограф и провести его предварительные испытания на здоровых людях, больных с перенесенным инфарктом миокарда, а также на больных ИБС - для подтверждения полезности метода кардиокимографии в диагностике ишемической болезни сердца.
Задачи исследования:
создать действующий макет кардиокимографа с учетом необходимости получения свидетельства об электробезопасности макета;
исследовать технические характеристики созданного прибора;
разработать методику кардиокимографического исследования;
провести испытания нового кардиокимографа на здоровых людях, лицах, перенесших инфаркт миокарда, и на больных ИБС, не имевших инфаркта в анамнезе.
Научная новизна. Создан прибор кардиокимограф и применено программное обеспечение (для персонального компьютера типа IBM; создано Е.В. Лукошковой), позволяющее, при одновременной записи ЭКГ, получать методом когерентного накопления усредненные кардиокимограммы непосредственно в ходе вьшолнения проб с мышечной нагрузкой. Компьютеризированный кардиокимограф создан в России впервые.
Компьютерная обработка сигнала кардиокимографа позволяет исследователю видеть усредненные кардиокимограммы на экране монитора в реальном времени. Усреднение сигналов кардиокимографа повышает диагностическую эффективность нагрузочной ЭКГ пробы.
Показана возможность проведения нагрузочных кардиокимографических проб в положении сидя, т.е. с использованием вертикального велоэргометра (они несравненно более распространены в нашей стране, чем горизонтальные).
Для предотвращения накапливания пота в камере емкостного преобразователя во время проведения велоэргомегрической пробы впервые применено продувание камеры воздухом.
Практическая значимость. Созданный кардиокимограф позволяет записывать движения прекордиальной поверхности грудной клетки непосредственно во время проведе-
ния нагрузочной велоэргометрической пробы. Это должно увеличить диагностическую точность нагрузочной ЭКГ пробы, выполняемой для диагностики ИБС.
Использование персонального компьютера позволяет наблюдать процессы записи и усреднения кардиокимограммы, очищенной от резчайших искажений, обусловленных дыхательными движениями грудной клетки и, в особенности, резкими движениями ног и тела во время нагрузочной пробы. Это снижает число технически неудачных проб.
Применение компьютеризированной кардиокимографии во время велоэргометрической нагрузки позволяет своевременно - при появлении у больного сигнала (кривой) патологического типа [Silverbeig et al., 1980; Gehring et al., 1998] - принимать решение о прекращении пробы и тем самым способствует повышению ее безопасности.
Внедрение в практику. Степень внедрения - первичная: создана аппаратура, и после получения разрешения Этического комитета Института кардиологии им АЛ. Мясникова РКНПК МЗ РФ (протокол заседания № 60 от 25 декабря 2000 г.) проведены испытания на здоровых лицах, больных с перенесенным инфарктом миокарда и больных ИБС, не имевших инфаркта в анамнезе.
Апробация диссертации состоялась 28 октября 2003 г. на межлабораторном семинаре Института экспериментальной кардиологии РКНПК МЗ РФ. Диссертация рекомендована к защите.
Основные результаты и положения работы представлены на:
XLIII научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Долгопрудный, 2000 г.
V Всероссийской конференции по биомеханике "Биомеханика-2000", Нижний Новгород, 2000 г.
Ш научно-практической конференции "Неинвазивное мониторирование состояния сердечно-сосудистой системы в клинической практике", Москва, 2001 г.
VI Всероссийской конференции по биомеханике "Биомеханика-2002", Нижний Нов-
город, 2002 г.
V научно-практической конференции "Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", Москва, 2003 г.
Юбилейной XV Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения, Москва, 2003 г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем и структура работы: диссертация изложена на 180 страницах, состоит из введения, обзора литературы, описания созданного кардиокимографа и методов исследований, изложения результатов испытаний кардиокимографа и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 174 работы отечественных и зарубежных авторов. Работа содержит 5 таблиц и 49 рисунков.
Утрата сократимости миокарда при экспериментальной ишемии: динамика и «инверсия»
В 1935 г. Теннант и Уиггерс [16] создали механо-оптический миограф для регистрации сокращения и расслабления небольшого (1,5 см) поверхностного (субэпикардиального) участка миокарда желудочков. Конструкция миографа и особая подвеска обеспечивали незначительную его чувствительность к артефактам, возникающим из-за изменений положения работающего in situ сердца, а также толчков и колебаний при энергичных его сокращениях. Это позволило исследовать изменения сокращений левого и правого желудочков во время зажатия соответствующих коронарных артерий.
В процессе развития гипоксии (результат зажатия передней нисходящей ветви левой коронарной артерии) утрачивается сократительный ответ участка миокарда и сменяется за время, меньшее 3 минут, увеличением его длины, т.е. «инверсией» (рис. 1). Удлинение ишемизированного участка миокарда происходит, главным образом, во время фазы изоволюмического сокращения миокарда, находящегося вне зоны ишемии, т.е. тотчас же с началом повышения давления в ЛЖ и достигает максимума в момент начала изгнания крови.
Вертикальные линии 1 и 2: фаза изоволюмического сокращения; 3 -момент окончания систолы. Верхняя запись - давление в аорте. По: Tennant andWiggers, 1935 [16] вали, раздражая блуждающий нерв, а на зону ишемии наносили электрические стимулы, сила которых до ишемии была достаточна для возбуждения этого участка и его сокращения. В ответ на стимулы возникало сокращение неишемизированной части ЛЖ и совершенно интактного правого желудочка. Следовательно, возбудимость области ишемии и проведение возбуждения из нее сохранены. Таким образом, удлинение участка в зоне ишемии определяется его растяжением миокардиальными волокнами, которые находятся вне этой зоны и продолжают сокращаться.
Кратковременные гипоксические повреждения миокарда, неспособные сами по себе вызывать его некроз, при сравнительно частых повторениях повреждают микроструктуры миоцитов на длительное время и, в конечном счете, вызывают хронические расстройства сократимости участков миокарда желудочков - дискинезии [17].
Нет необходимости рассматривать результаты большого количества исследований, порожденных опытами Теннанта и Уиггерса [16] и подтвердивших их данные. Отметим, однако, что быстрое угнетение сократимости участка ишемизированного миокарда и его удлинение во время систолы выявлены и для глубоких субэндокардиальных областей миокарда [18]. Новые физиологические методы (высокоточное измерение давления непосредственно в полости желудочков, ртутно-резиновые и ультразвуковые датчики для измерений длины участка миокарда) позволили в хронических опытах на бодрствующих животных исследовать процессы частичного восстановления сократительной функции в области инфаркта.
В связи с данными, рассмотренными в следующем разделе, уделим внимание изучению связи между степенью гипоксии миокарда и расстройствами его сократительной функции [19]. Цель исследования заключалась в том, чтобы определить функциональные проявления, которым соответствуют морфологические отклонения, наблюдаемые у больных ИБС: диссинхрония, гипокинез, акинез и «парадоксальное» систолическое расширение участка миокарда. Как известно [20], полость ЛЖ здорового сердца к концу систолы суживается концентрическим образом по всему периметру, тогда как при ИБС однообразие нарушается, и те или другие участки миокарда ЛЖ сокращаются слабее или вообще не сокращаются. Это и приводит к названным выше патологическим проявлениям, обнаруживаемым при вентрикулографии по неравномерному очертанию периметра полости ЛЖ на протяжении систолы и в ее конце. Форрестер и соавт. [19] пытались связать те или другие аномалии движения участка стенки ЛЖ и степень ишемии этого же участка. В острых опытах у собак создавали кратковременную ишемию зажатием левой передней нисходящей коронарной артерии (или ее диагональной ветви), либо в снабжаемую из этих сосудов область ЛЖ насосом подавали венозную кровь из бедренной вены. Давление и таким образом кровоснабжение области миокарда снижали пятью ступенями по 20 мм. рт. ст. Для измерения сокращений миокарда ЛЖ к эпикарду параллельно ходу его волокон пришивали силиконовую трубочку (длина 10 мм, диаметры: наружный - 0,6 мм, внутренний -0,3 мм), заполненную ртутью. Растягиваясь, она служила датчиком длины участка миокарда в разные фазы кардиоцикла. Сигналы датчика длины и электроманометра в коронарной артерии подавали на X-Y пластины запоминающего электронного осциллографа, наблюдая петли давление-длина.
Анализ изменений таких петель по мере углубления ишемии позволил выявить ряд стадий нарушения функций миокарда. Проявления, вызываемые ишемией, вероятные их причины и названия стадий (полагают, что они аналогичны стадиям обнаруживаемым при ИБС) приведены в табл. 1. Она составлена нами по данным [19].
Уточним вопрос, относящийся к стадии 1: возникают ли нарушения функций остро ишемизированного миокарда сначала при диастоле, а затем уже при систоле, или наоборот? В хронических опытах на собаках (т.е. при исключении осложняющих воздействий общей анестезии, вскрытия грудной клетки и перикарда, кровопотери) Ихара и соавт. [21] выяснили, что и при глобальной (зажатие основного ствола левой коронарной артерии) и при регионарной ишемии (зажатие огибающей ветви основного ствола)
Первые попытки создать бесконтактный кинетокардиограф
В. М. Большов и соавт. [29] предложили создавать в каком либо органе вихревые электрические токи (токи Фуко), направляя на ткани высокочастотное электромагнитное поле. Его источником служил LC-контур (вероятно, выносной), который питали от генератора высокой (конкретно какой - не указано) частоты. В зависимости от степени кровонаполнения органа «ухудшаются свойства резонансного LC-контура» (т.е. изменяется его добротность) - появляется искомый сигнал. Высокочастотная его составляющая задерживается фильтром, а сигнал низкой частоты регистрируется. Датчик выполнен в виде алюминиевого цилиндра (d = 30 мм) открытого с торца. Вероятно, в торце помещали катушку индуктивности, обращенную к изучаемому органу. Цилиндр «служит экраном, закрывающим датчик со всех сторон кроме торцовой, воспринимающей стороны».
В качестве образца выходного сигнала авторы привели кривую, которую они сочли бесконтактной записью «пульсаторных изменений кровенаполнения сонной артерии» (рис. 2, В). По сравнению с ранее приведенными записями, полученными при помощи бесконтактных датчиков (рис. 2, А, Б), запись на рис. 2, В - несомненный артефакт. Действительно, уже в следующем году А.Н. Помельцов [30], по-прежнему придерживаясь идеи генерации в крови вихревых токов и их воздействия на выносной LC-контур, привел записи пульса сонной артерии человека, лишенные упомянутого артефакта (рис. 2, Г). Наконец, тот же автор [61] спустя четыре года после первой публикации [30] сообщил о сходстве «индукционной кардиограммы» и электрокимо-граммы - записи движений края рентгеновского изображения сердца (рис. 5, Б). Подобные же сопоставительные пары кривых через 10 лет были опубликованы за рубежом [62]. Впрочем, работы В.М. Большова и А.Н. Помельцова развития не получили, а основные параметры аппарата остались не опубликованными.
Между тем, в 1966 г. А.И. Золотарев независимо от работы [29] выдвинул ту же самую идею "индуктографии" - метода получения кривой, которая "отражает ... величину потерь электромагнитных колебаний в виде вихревых токов, поглощаемых кровью как токопроводящей жидкостью". Цитата заимствована из диссертации А.Н. Золотарева [63] на степень доктора медицинских наук (с. 135), что объясняет физически неточное изложение автором своей идеи. Для записи "индуктограмм" использовали уравновешенный мост Уитстона, каждое из плеч которого состояло из последовательно соединенных L, Си резистора. На одну из диагоналей моста подавали напряжение от генератора (частота 30 кГц), а с другой — снимали сигнал, который подвергали демодуляции и регистрировали. Резонансное сопротивление LC-контура максимально на частоте 30 кГц.
Когда неэкранированную катушку (одно из плеч моста) подносят к исследуемому участку тела, мост разбалансируется вследствие взаимоиндукции и ее влияния на величину полного сопротивления плеча, служащего датчиком. Такое влияние, по А.И. Золотареву, и отражает изменения кровенаполнения органа, включая пульсовые колебания.
Сотрудники Воронежского Медицинского и Политехнического институтов [36,69-71] совместно создали еще одно устройство для бесконтактной, или дистанционной, кинетокардиографии. Авторы [36] рассматривали это устройство как «попытку усовершенствовать бесконтактный метод регистрации» (это, вероятно, относилось и к «индуктографу» А.И. Золотарева, работавшему на той же кафедре, что и В.М. Провотворов [70] и к другим (на основе LC-генератора) работам [24,26]).
В устройстве авторов [36,69-71] преобразователем механических перемещений участка прекордиальной области в электрический сигнал служил «конденсатор». Одна его обкладка представляет собой металлический диск-зонд (d = 30 или 40 мм), подводимый к участку кожи на расстояние 2-10 мм, а кожа служит второй «обкладкой». Зонд подключают к сетке электрометрического триода. Благодаря этому устройство чувствительно к изменениям заряда на «обкладках» конденсатора. Зонд находится под стабилизированным постоянным напряжением (10 - 20 В). Низкочастотные колебания мягких тканей межреберий преобразуются в колебания емкости (С) биологического «конденсатора», а соответственно и в изменения заряда на нем. Так как С обратно пропорционально расстоянию между «пластинами» конденсатора, при удалении участка ткани от зонда U на входе устройства падает, запись снижается, и наоборот. На рис. 5, В представлена запись, сделанная над позицией Vt4 [69]. Публикаций о применении устройства в клинических целях мы не обнаружили. Не исключено, что на это повлияло примечание редакции журнала к работе [36]: «Питание высоким напряжением делает схему опасной для применения».
В 1967 г. израильский инженер Ран Вас [72] описал устройство для дистантной регистрации движений сердца, в сущности, не отличавшееся от предложенного ранее Мэкела и соавт. [28], а затем А.И. Золотаревым [63]. Правда, Вас привел не только блок-схему, но и полную принципиальную схему, подробно рассмотрел действие каждого из ее функциональных узлов, конструкцию зондов и ряд применений устройства, выходящих за пределы кардиологии. Наконец, в [72] приведены бесконтактные записи апекс-кардиограммы до и После торакотомии, показана возможность дистанционной регистрации движений правого желудочка (рис. 6, А) и аорты. Свое представление о происхождении соответствующих сигналов Вас изложил намного обстоятельнее, чем его предшественники [28,29,63], о работах которых он, надо думать, не знал, и есть смысл изложить эти представления.
Электрический ток, проходящий по проводу, создает направленное перпендикулярно к нему электромагнитное поле. Если провод свернуть в плоскую спиральную катушку, она окажется источником электромагнитного потока, так же перпендикулярного плоскости катушки. Поле катушки способно проникать в объекты, обладающие достаточно высокой электропроводностью, или в диэлектрики с утечкой (такие как стенки сердца или сосудов, которые содержат электропроводящие межклеточную жидкость и кровь). Если через катушку пропускать переменный ток, то в таких объектах появляются электрические токи, называемые токами Фуко. Условием их возникновения может быть не только изменения силы тока в катушке (оттого ее и питают переменным напряжением), но и движение объекта, на который направлено электромагнитное поле. Так возникает индукция тока током (Фарадей, 1831). Французский физик Фуко обнаружил нагревание металлического предмета при быстром вращении в магнитном поле.
Измерительная система кардиокимографа
Эта система состоит из генератора, блока емкостного датчика (преобразователя), цепи демодуляции и компьютера (рис. 15). На блок-схеме показаны также обкладки конденсатора: а — "активный" электрод, прикрепленный к спине испытуемого; б - электрод-диск емкостного датчика.
В основу измерительной схемы положен принцип синхронного детектирования сигнала [150,151], т.е. амплитудное детектирование колебаний при одновременной подаче на детектор напряжения сигнала и опорного напряжения, совпадающих по частоте и фазе.
Сигнал треугольной формы подают на «активный» электрод, прикрепленный к спине испытуемого, а электрод-диск располагают над участком кожи прекордиальной области грудной клетки на расстоянии, не превышающем нескольких миллиметров. Участок кожи и электрод-диск образуют конденсатор (емкостный преобразователь), емкость которого изменяется при движениях кожи относительно электрода-диска.
Операционный усилитель в блоке преобразователя включен по схеме дифференциатора (рис. 17). Поэтому входной треугольный сигнал преобразуется на выходе в сигнал прямоугольный, амплитуда которого прямо пропорциональна величине емкости между пластиной электрода-диска и поверхностью кожи грудной клетки больного. Прямоугольные сигналы с емкостного датчика и от генератора подают на перемножитель. Высокочастотную составляющую выходного сигнала перемножителя устраняют фильтром низких частот.
Рассмотрим работу дифференциатора подробнее. Одна обкладка конденсатора С (рис. 17; слева) образована поверхностью кожи под электродом-диском, а вторая этим последним (рис. 17; справа), причем он соединен с инвертирующим входом операционного усилителя. На прикрепленный к спине больного электрод подается напряжение треугольной формы VBX. Приближенно можно считать, что электрические токи, протекающие через конденсатор С и сопротивление R (рис. 17), равны по величине, но противоположно направлены: h = -h - (3) или, что тоже самое, dt R где VBblx — напряжение на выходе операционного усилителя.
Главная трудность при синхронном детектировании заключается в получении синхронного с сигналом опорного напряжения. Рассмотрим случай, когда между промодулированным сигналом и опорным существует сдвиг фаз ф, примем во внимание, что емкость С не является величиной постоянной: именно ее относительно медленные изменения и проявляются в виде «полезного сигнала».
В полученном выражении сохранился член, содержащий —, т.е. вы dt ходной сигнал будет зависеть от скорости изменения С, если между частотой опорного сигнала и модулированного существует сдвиг фаз ф. Однако в нашем случае (для оценки: расстояние между обкладками 1 мм, изменения расстояния 0,1 мм, время изменения 50 мс) влияние сдвига фаз несущественно.
В отличие от системы, описанной в [146] мы использовали синфазные сигналы треугольнойм прямоугольной формы, вырабатываемые одним и тем же генератором (микросхема ICL8038). Использование треугольного и прямоугольного сигналов упрощает техническое решение схемы. В случае применения функций синуса и косинуса необходимо применять либо генератор, с выходов которого можно получить когерентные синусоидальный и косинусоидальный сигналы, либо фазосдвигающую цепь для преобразования синуса в косинус.
Ниже мы подробно опишем основные составляющие схемы кардиокимографа: генератор, емкостный датчик, перемножитель, фильтры, блок гальванической развязки, источник питания. Эта часть схемы собрана на прецизионной микросхеме - генераторе ICL8038 (рис. 18). Частотный дрейф в зависимости от температуры генератора 250 промиль/С.
Генератор вырабатывает сигналы частотой 50 кГц. В микросхеме ICL8038 задержка (или сдвиг фаз, измеренный в единицах времени) между прямоугольным и треугольным сигналами составляет 90 не. Периоды прямоугольного и треугольного колебаний равны 20 мкс. Значит, сдвиг фаз не превышает 1/200 периода колебаний и им можно пренебречь. Частота работы генератора - 50 кГц - выбрана из следующих соображений: 1) несущая частота должна быть существенно выше модулирующей частоты (в нашем случае отношение частот составляет более 500); 2) на частоте в десятки килогерц импеданс конденсатора, образованного поверхностью кожи и пластиной емкостного датчика, является доминирующим (см. уравнение (2)), что позволяет измерять емкость этого конденсатора, а, следовательно, и расстояние между его обкладками; 3) частоты 30 — 300 кГц обычно используют в реографии [152] (в методе реографии к человеку также подводят высокочастотный ток); 4) микросхема генератора ICL8038, может вырабатывать сигналы в диапазоне частот 0,001-300 кГц.
Основные составляющие емкостного датчика (преобразователя) — принимающая пластина, выполненная в виде стального диска диаметром 3,5 см, и дифференциатор, собранный на операционном усилителе ОРА134РА (рис. 18 и 19). Принимающая пластина преобразователя располагается в кольце из оргстекла (кольцо при проведении исследования опирается на грудную клетку). К кольцу прикреплен маленький алюминиевый корпус, в котором находится схема дифференциатора. Расстояние от принимающей пластины до поверхности кожи регулируется винтовой подачей. Обычно это расстояние устанавливают в диапазоне от 0,2 до 2 мм, Контроль при установке расстояния между обкладкой датчика и кожей осуществляют с помощью схемы, основанной на микросхеме компаратора LM293HC. В данной схеме (рис. 20) задают два порога срабатывания компаратора: один соответствует максимально допустимому зазору между обкладкой датчика и кожей, другой - минимальному зазору.
Для защиты больного от поражения электрическим током использована оптоэлектронная гальваническая развязка прибора и персонального компьютера (выполнена на оптроне HCNR200), соответствующая требованиям электробезопасности для медицинских приборов (рис. 21).
В пластмассовом корпусе оптрона HCNR200 содержатся светодиод и два точно подобранных фотодиода. Электрическая изоляция входных и выходных цепей обеспечивается тем, что излучение светодиода проходит через прозрачный слой диэлектрика, а затем поглощается фотодиодами. Фотодиод на входе оптрона используется в цепи управления светодиодом, что позволяет получить низкую (не более 0,01 %) нелинейность передачи сигнала. Оптрон HCNR200 предназначен для аналоговых сигналов и обеспечивает полосу пропускания от сигналов постоянного тока до 1 МГц.
Кардиокимографическое исследование во время велоэргометрическои ЭКГ пробы
При велоэргометрической пробе в вертикальном положении тела электроды для стандартных отведений ЭКГ накладывали на спину больного, электроды для грудных отведений - так же, как в положении лежа, кроме отведения V3, Электрод для этого отведения располагали несколько ниже, чтобы не закрывать участок, необходимый для установки преобразователя кардиокимографа.
Протокол велоэргометрической пробы соответствовал принятому в отделе новых методов диагностики Института клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова РКНПК МЗ РФ. Нагрузка непрерывная, возрастающая ступенями при начальной мощности -25 Вт. Продолжительность каждой ступени — 3 минуты, по истечении которых нагрузку увеличивали шагами по 25 Вт вплоть до появления одного или нескольких признаков, требующих окончания пробы, а именно: 1) достижение субмаксимальной частоты сердечных сокращений (75 % от максимальной для данного возраста); 2) характерное для ишемии миокарда смещения ST-сегмента на ЭКГ вверх или вниз от изо-электрической линии на 1 мм и более (1 см на записи ЭКГ принимают равным 1 мВ); 3) развитие приступа стенокардии; 4) превышение систолическим артериальным давлением 250 мм рт. ст., диастолическим - больше 120 мм рт. ст.; 5) крайнее утомление больного. Нагрузочную пробу прекращали по решению врача. После окончания нагрузки больной отдыхал сидя в седле вело-эргометра (в случае горизонтального велоэргометра - лежа) в течение 5-10 минут. Продолжительность отдыха зависела от скорости восстановления больного. Пробу считали положительной, т.е. подтверждающей заболевание ИБС, при появлении на ЭКГ ишемических изменений на ЭКГ.
Кардиокимограмму регистрировали: 1) в покое до нагрузочной пробы; 2) во время нагрузочной пробы; 3) во время отдыха после нагрузки. После прекращения нагрузочной пробы кардиокимограмму продолжали регистрировать до того времени, когда ишемические изменения на ЭКГ возвращались к состоянию до начала нагрузки. В случае отсутствия ишемии — по решению врача.
Методы регистрации при работе на горизонтальном велоэргометре (положение тела лежа) принципиально не отличались и при работе на вертикальном велоэргометре (положение тела сидя). Единственное существенное отличие — ЭКГ электроды, которые прикрепляли на спину, когда человек сидел, оказалось удобнее крепить в подключичных областях и нижней части живота, т.к. на спине больной лежал. В исследование включено 58 человек в возрасте от 20 до 78 лет, в том числе 18 здоровых лиц. Характеристики и число обследованных людей указано в табл. 5. Первую группу составили здоровые испытуемые. Вторую группу - больные, перенесшие инфаркт миокарда. Третью - лица, госпитализированные в связи с подозрением на ишеми-ческую болезнь сердца. Больные из этой группы прошли ангиокоронарогра-фию. Именно в этой группе исследовали изменения кардиокимограммы во время велоэргометрической пробы. Лиц, перенесших инфаркт миокарда, в этой группе не было.
Общая цель испытаний кардиокимографа на здоровых и больных людях заключалась в установлении работоспособности созданного прибора и пригодности его, в принципе, для различения кардиокимограмм здоровых людей и больных с подозрением на ишемическую болезнь сердца. Конкретные задачи заключались в следующем: 1) оценить работоспособность кардиокимографа: а) по сходству формы кардиокимограмм, зарегистрированных над определенными участками прекордиальной области, с формой, известной из литературы; б) по степени воспроизводимости формы ККГ у одних и тех же испытуемых при повторных исследованиях; 2) установить допустимый предел изменения положения центра пластины преобразователя» устанавливаемого над одним и тем же участком прекордиальной области, другими словами - оценить достаточную точность установки преобразователя; 3) выяснить, хотя бы предварительно, на небольшом числе испытуемых, какие участки прекордиальной области обеспечивают получение у здоровых людей кардиокимограмм более или менее типичной формы (это облегчило бы установление изменений этой формы, характерных для больных ИБС); 4) выявить изменения формы кардиокимограмм у больных, перенесших инфаркт миокарда; 5) выяснить, в какой мере и как именно меняется форма ККГ у здоровых людей при ее регистрации в положении сидя; 120 6) выявить, как изменяется форма кардиокимограмм у больных ИБС во время ЭКГ нагрузочной пробы на вертикальном велоэргометре; 7) то же самое, но на горизонтальном велоэргометре. Прежде чем приступить к изложению результатов испытаний кардиоки-мографа, напомним основные явления, происходящие во время сердечного цикла. На рис. 27 приведены синхронные записи электрокардиограммы и фо-нокардиограммы, а также указаны моменты открытия и закрытия клапанов левого желудочка. Систолу, а также диастолу разделяют на несколько фаз. Систола подразделяется на фазу изоволюмического сокращения и фазу изгнания, а диастола на фазу изоволюмического расслабления и фазы быстрого и медленного наполнения.
Фаза изоволюмического сокращения ЛЖ ограничена временем, в течение которого желудочек сокращается при закрытых митральном и аортальном клапанах. Фаза изгнания начинается с открытия аортального клапана и заканчивается в момент его закрытия. В течение этой фазы часть крови из ЛЖ вытесняется в аорту. Касаться явлений, происходящих в сердце во время диастолы, нет необходимости, так как для подтверждения диагноза ИБС используют изменения лишь формы систолической части кардиокимографиче-ской кривой.
![Распространенность корригируемых факторов риска ишемической болезни сердца и вероятность тяжелых коронарных осложнений у работников газовой промышленности, не имеющих клинических проявлений ИБС [Электронный ресурс]](/i/i/4598/182278.png "Распространенность корригируемых факторов риска ишемической болезни сердца и вероятность тяжелых коронарных осложнений у работников газовой промышленности, не имеющих клинических проявлений ИБС [Электронный ресурс] Аксенов Валерий Алексеевич")