Строительные исследования
страница - 0
Обнаружение измененной сократимости сердца человека дистантным емкостным датчиком: новый принцип кардиокимографии
Шерозия Г.Г. ( sh gosha@cardio.ru ), Евстифеев И.К. Российский кардиологический научно-производственный комплекс МЗ РФ
Введение
Во время сокращения (систолы) сердце отходит от поверхности грудной стенки. При этом мягкие ткани межреберий прекордиальной области несколько смещаются внутрь, в направлении грудной полости. Если, однако, участок стенки сокращающегося левого желудочка не получает необходимого количества крови (т.е. испытывает ишемию), то сократимость миокарда этого участка быстро уменьшается. Напряжение стенки такого участка при систоле увеличивается слабо и под влиянием повышающегося внутрижелудочкового давления миокард данного участка образует локальное выпячивание. Последнее вынуждает прилегающие мягкие ткани прекордиальной области смещаться наружу. Различное направление локальных смещений участка грудной стенки у здоровых людей и у больных ишемической болезнью сердца можно использовать для ее диагностики [1, 2, 5, 6]. Первоначально для определения направления малых перемещений кожи, зависящих от деятельности сердца, применяли разнообразные контактные механо-электрические датчики [1, 2]. Метод, названный кинетокардиографией, требовал полной неподвижности больного, включая задержку дыхания на время записи кривой малых перемещений.
Некоторого улучшения метода добился Вас [3], создав дистантный датчик перемещений. Чувствительным элементом этого датчика была плоская спиральная катушка индуктивности. Она входила в резонансный LC-контур генератора по схеме Клаппа (рабочая частота 10-20 МГц). Этот метод назвали кардиокимографией [4-6]. Движение кожи относительно сенсора изменяет резонансную частоту и амплитуду колебаний в контуре генератора, эти изменения детектировались. Вас считал, что электромагнитное поле, создаваемое катушкой, должно индуцировать в сердце человека вихревые токи, а их воздействие на катушку позволяет следить за движениями непосредственно сердца. Однако Вильсон и Гезеловиц [7] теоретически и экспериментально показали, что основной вклад в
выходной сигнал кардиокимографа (при отсутствии магнитного экранирования катушки) вносит изменение длины воздушного зазора между катушкой и поверхностью тела, т.е. изменение емкостной связи между ними. Такой же результат получили Араи [8] и Паулат [9]. Мы развили новый емкостный способ получения кардиокимографического сигнала, предложенный недавно группой авторов из Китая [10]. В отличие от индуктивных датчиков перемещения для его работы не требуется схемы автоподстройки частоты. Кроме того, прибор прост в изготовлении и недорог.
Новый принцип кардиокимографии
Новый принцип «активной» кардиокимографической системы [10] напоминает используемый в кондуктометрии. Сходство заключается в том, что выходной сигнал прибора зависит от величины электрического сопротивления жидкой среды, заключенной между парой металлических электродов, причем, во избежании поляризации, через среду пропускается высокочастотный ток. Отличие состоит в том, что средой, оказывающей сопротивление переменному току, является, во-первых, плазма крови и межклеточная жидкость и, во-вторых, небольшой слой диэлектрика - воздуха. Последнее определяется тем, что один из пары электродов (в форме диска) «активной» кардиографической системы устанавливается над участком кожи прекордиальной области, направление перемещения которого необходимо определить, а второй электрод прикрепляется к коже спины больного. Таким образом, образуется «активный» биологический емкостный датчик [11], чувствительный к изменениям расстояния между поверхностью кожи и электродом-диском.
Использование емкости для измерения расстояния. Емкость С между обкладками
плоскопараллельного конденсатора (при условии, что d) определяется формулой:
C = £°£,(1)
d
где s0 - диэлектрическая проницаемость вакуума (s0=8,85x10-12 Ф/м), sr - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора (для воздуха sr можно считать приблизительно равной 1), S - площадь поверхности пластин конденсатора, d - расстояние между ними.
Площадь перекрытия обкладок конденсатора, образованного принимающей пластиной датчика и поверхностью кожи прекордиальной области, составляет 9,6 см2. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками представлена на рис. 1.
Из графика (рис. 1) следует, что диапазон изменений емкости составляет приблизительно от 4 до 17 пФ (расстояния между обкладками при кардиокимографических исследованиях обычно лежат в пределах 0,5 - 2 мм).
Полный электрический импеданс Z среды, находящейся между «активным» электродом и принимающей пластиной датчика, может быть записан как:
Z = 2е + Rb + -1-,(2)
jcoC
где Ze - импеданс перехода «электрод-кожная ткань», составляет порядка 1 кОм (используемая в приборе частота - 50 кГц); Rb - сопротивление тканей тела, находящихся между «активным» электродом и электродом-диском, составляет порядка 100 Ом; последний член выражения (2) - импеданс конденсатора - порядка 1 МОм, так как емкость конденсатора между поверхностью кожи и электродом-диском составляет 4-17 пФ. Таким образом, основным является импеданс конденсатора. Расчет показывает, что величина получаемых на практике изменений импеданса конденсатора также превосходит сумму Ze и
С, пФ
25 -20 -15 -10 -
5
0
012345
d, мм
Rb.
Рис. 1. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками
Зависимость емкости плоскопараллельного конденсатора от расстояния между обкладками является гиперболической, т.е. существенно нелинейной, но, при измерениях малых отклонений от начального зазора между обкладками, изменения емкости можно считать линейно зависящими от изменений расстояния. Если начальное расстояние между электродами x0=0,5 мм, а его изменение Ax=0,1 мм (по данным [1] перемещения поверхности кожи прекордиальной области составляют 5-200 мкм), то отклонение от линейно
-- |
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]