Существующие методы исследования сердечно-сосудистой системы

Инструментальное исследование состояния сердечно сосудистой системы насчитывает чуть более ста лет. Открытие закона Фарадея, положившее начало конструированию различных электрических механизмов, породило проблему использования достижений технического прогресса в диагностике и лечении человека. Особенности работы сердца, как уникального природного механизма, издавна возбуждали исследовательский интерес у многих учёных, начиная с античного мира. Но возможность более подробно начать исследовать принципы его деятельности стала реальной только при открытии законов движения заряженных частиц в электрических цепях. Первая регистрация электрокардиосигнала, прототипа современной электрокардиограммы (ЭКГ), была предпринята В. Эйнтховеном в 1912 году в г. Кембридже. После этого методика регистрации ЭКГ интенсивно совершенствовалась. Одновременно начали появляться новые методы исследования сердечно – сосудистой системы. В первую очередь была внедрена фонокардиография, основанная на регистрации звуковых шумов сердца при его работе. Она явилась развитием аускультации тела, которая использовалась с очень давних времён. Также был изобретён первый измеритель артериального давления, основанный на косвенном методе измерения.

Изобретение электропроводных материалов, позволило использовать их при регистрации биопотенциалов тела, а также его механических параметров. Так, на смену первым датчикам для регистрации ЭКГ, предложенными В. Эйнтховеном, которые были не что иное, как вёдра наполненные водой, в которые погружали руки и ноги, а вёдра соединяли в гальваническую цепь, были предложены в 1917 году металлические пластинчатые электроды. Аналогичные электроды используются и сегодня в ряде клиник. Они выполнялись из металла, который покрывался тонким слоем хлорного серебра. Такое напыление позволяло делать более стабильным контактную разность потенциалов, возникающую на границе металл – кожа.

В послевоенный период, после 1945 года, когда началась развиваться радиоэлектроника, стали появляться различные специализированные диагностические приборы, сконструированные на электронно – механической элементной базе. Это в первую очередь измерители артериального давления. Предложенный косвенный метод измерения, конструктивно основанный на регистрации врачом значений артериального давления по шкале механического манометра, этот метод сохранился в практике до настоящего времени.

Уже начиная с 1960 года, в медицинских приборах начала увеличиваться доля электронных компонентов. В серийном производстве стали выпускать сложные приборы, к которым без сомнения можно отнести электрокардиографы. В них использовалась фильтрация регистрируемых кардиосигналов, осуществляемая с помощью электронных фильтров. Специальные механические самописцы, позволяли на специальной бумаге записывать ЭКГ.

Однако измерение только артериального давления и регистрация ЭКГ, были недостаточны для установления достоверного диагноза. В это же время начинается использование многоканальных регистраций ЭКГ. Одновременно появляются поликардиографические методы исследования сердечно – сосудистой системы. Они основывались на регистрации нескольких физических характеристик сердца, как правило, синхронно с электрокадиосигналом, регистрировались реограмма, отражающая кровенаполнение сосудов и характеризующая изменение артериального давления крови, механические колебания – кинетокардиограмма, или баллистокардиограмма, как более сложная при регистрации из –за использования особого датчика (рис.1).

Рис. 1. Синхронная запись реограммы (РЕО), кинетокардиограммы (ККГ) и электрокардиограммы (ЭКГ), использующиеся при поликардиографическом методе.

 Однако, возможность регистрации различных биологических сигналов, как бы незаметно породила проблему достоверности проявления диагностических критериев, содержащихся в самих сигналах. Уже первые практические результаты показали, что точность регистрации биологических сигналов должна быть значительно выше. Любые артефакты, вносимые в процесс регистрации сигнала, не позволяли получать при повторной регистрации идентичных сигналов. Даже соблюдение сложной методики работы врача с прибором не могли достичь требуемой точности. Так, для анализа фазовой работы сердца требуется регистрировать границы одной из фаз, длительность которой не превышает 0,5 сек. Специально для этого были разработаны поликардиографический метод и многоканальный метод регистрации ЭКГ. Используемые при записи самописца струйные перья имеют толщину соизмеримую с требуемой точностью сравнительного анализа. Многоканальный съём информации ещё больше увеличивает погрешность, из - за асинхронных процессов происходящих в различных по природе датчиках, используемых для регистрации различных электрических и механических характеристик сердца.

Не решилась эта проблема и с появлением компьютерной техники. Датчики, являющиеся значительными источниками погрешностей, продолжают использоваться те же, что и раньше. Развитие техники всегда отставало от требуемой точности измерения медико – биологических сигналов. Именно этот факт породил проблему метрологии медицинских приборов в медицине. Как ни где в других отраслях науки, на первый план при сертификации приборов вышли клинические испытания. Именно за счёт статистических данных, а не метрологической поверки делаются выводы о достоверности измеряемых величин. Синхронная запись нескольких сигналов различной природы могла служить только индикатором состояния организма, но использование её в качестве измерительной системы не представлялось возможным. В этой ситуации складывалась методология исследования состояния сердечно – сосудистой системы.

С развитием медицинского приборостроения, после появления твёрдотельных полупроводниковых элементов, пришедшим на смену вакуумным, сохранилась проблема электробезопасности приборов. Различные гальванические развязки, выполненные на трансформаторах, а также контуры заземления, служили источниками помех, значительно снижая качество регистрируемых сигналов. Существенным новшеством в диагностике сердечно – сосудистой системы в 1980 –х годах явилось изобретение эхокардиографии, основанной на принципе ультразвуковой эхолокации. Эти приборы являются технически более сложными, чем отмеченные выше. Но их практическое использование позволило значительно расширить диапазон диагностики и её качество. Также появилась возможность косвенным методом измерять гемодинамические величины, такие как, ударный и минутный объёмы крови в восходящей аорте. Значительным достижением ультразвуковой эхолокации стала возможность исследовать морфологическую структуру тканей сердца и других органов (рис.2).

Рис.2. Визуальное отображение информации на дисплее при ультразвуковом сканировании сердца.

Важным этапом на пути развития медицинского приборостроения стало появление компьютеров. Представилась возможность обработки больших массивов информации, с одновременным отображением результатов в различном виде, как в графическом, так и цифровом.

Однако компьютеры не решили главной проблемы медицинского приборостроения - метрологии. Методология, использующая съём информации, её обработка – процесса нормирования сигнала, направленная только на получение большего динамического диапазона сигнал – шум, остались прежними.

Появление интернета и мобильной беспроводной связи лишь упростили доступ и расширили возможность передачи на большие расстояния информации, регистрируемой непосредственно с пациента. Но интенсивное развитие техники пока не позволяло изобрести более точные методы диагностики сердечно – сосудистой системы.

Фактически существующие методы диагностики были «пристыкованы» к компьютерной технике. В настоящее время появилась возможность строить диагностические программно - аппаратные комплексы на базе специализированных процессоров, исключая лишние затраты на стандартное оборудование, которое не может быть использовано в полном объёме, но входящие в комплект обычного офисного оборудования.

Такой подход определил появление малогабаритных и высокоэффективных программно – аппаратных устройств позволяющих постоянно совершенствовать программное обеспечение пользователю, без существенных затрат на приобретение новых приборов. Новейшие технологии позволили серийно выпускать одноразовые электроды с высокими техническими характеристиками. Была достигнута минимизация влияния контактной разности потенциала кожа – электрод.

Одновременно с электрофизиологическими методами диагностики сердечно – сосудистой системы, интенсивно совершенствовались и приборы косвенного измерения артериального давления.

В настоящее время серийно выпускаются множество приборов для индивидуального пользования, с помощью которых можно регистрировать значения артериального давления и частоту сердечных сокращений. Однако, все они используют для фиксации значений артериального давления критерии основанные на среднестатистическом анализе. Технически это реализовано за счёт введения в прибор амплитудного компаратора, который, срабатывая от амплитуды регистрируемых колебаний артериального давления под компрессионной манжетой, фиксирует максимальное и минимальное артериальное давление. Такая методика не учитывает изменение ударного объема крови, влияющего на форму информационного сигнала. Поэтому, здесь можно говорить об условных величинах измеряемого давления, а не о реальных.

Учитывая, что сам косвенный метод имеет определённую погрешность измерения, зависящую от скорости декомпрессии, а так же ещё вносимую погрешность за счёт критериев статистического характера, разработчики вынуждены были значительно ограничить условия пользования приборами, регламентируя положение пациента при измерении и место фиксации окклюзионной манжеты на его руке.

Необходимо отметить единственный пока прибор для измерения артериального давления использующий принципиально новый метод, основанный на анализе интерференции волн артериального давления в месте окклюзии, разработанный в рамках серийного производства в конце 1989 года. Его созданию предшествовало построение теории биофизических процессов окклюзионного кровотока. В настоящее время, прибор находится в стадии технической модификации и готовится к серийному производству. На его использование в практике не накладывается ограничений, которые присуще другим известным.

Важно, заметить, что создание теории биофизических процессов окклюзионного кровотока способствовало созданию модели, а это обеспечило метрологию и высокую достоверность измерения. До этого ни один прибор, диагностирующий параметры сердечно – сосудистой системы не основывался на теоретической модели биофизических процессов, которая бы позволила моделировать регистрируемый сигнал, тем самым, обеспечивая метрологией в полном объёме процесс измерения.

Именно это является причиной того, что фактически все приборы, фиксирующие электрокардиосигналы, являются регистраторами, а не измерителями. Сам процесс измерения требует сопоставлять измеряемую величину с эталонной. Если нет эталона, то нет и измерений. Построение модели биологического сигнала, который можно было бы принять за эталон, возможно только в случае, если удаётся абстрагировать объёкт. Точнее говоря, если удаётся отобразить в модели его основные свойства, проявляющиеся в наблюдаемом явлении. Пока эта проблема в медицинском приборостроении не имеет решения.

Литература:
1. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения: Пер. с англ./ Кромвелл, М. Ардитти, Ф. Вейбелл и др.; Пер. под ред. Р. И. Утямышева. М.: Радио и связь, 1981. - С. 108.

2. Там же. – С. 135 – 144.

3. Там же. - С. 109.

4. Шелагуров А.А. Пропедевтика внутренних болезней. М.: Медицина. 1975,  С.166 – 170.

5. Там же. С.219.

6. Там же. С.179 – 185.

7. Анреев Л.Б., Андреева Н.Б. Кинетокардиография. Ростов н/Д., Изд. РГУ. 1971. - 308 с.

8. Шелагуров А.А. Пропедевтика внутренних … - С. 213 -215.

9. Попечителев Е.П., Кореневский Н.А., Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. М.: Высшая школа, 2002. - С. 208 – 212.

10. Струтынский А.В. Эхокардиограмма: анализ и интерпретация. – М.: МЕДпресс – информ, 2001. – 208 с. 11. Руденко М.Ю., Алексеев В.Б., Мацюк С.А. Биофизические явления в системе кровообращения при косвенном измерении артериального давления и анализ приборов для его измерения. // Мед.техника. – 1986. – 5. – С.26 – 35.