Диссертация (Биотехническая система контроля венепункции на основе измерений электрического импеданса), страница 3

При этом необходимо решить ряд задач связанных свизуализацией периферических сосудов. Для успешной идентификации врачомместа введения инъекционной иглы и обеспечение контроля движенияинъекционной иглы в мягких тканях и информированию о проколе стенкисосуда, для избегания повторного прокола стенки кровеносного сосуда, темсамым минимизируя постинъекционные осложнения. Разработка таких средствповысит качество оказание медицинской помощи. Причем разработкавспомогательной системы для контроля венепункции позволит проводитьобучение, мало опытного медицинского персонала методике пунктированиясосудов. В связи с вышеупомянутыми особенностями ведутся разработкиинструментальных методов контроля качества венепункции.1.2.Инструментальные методы контроля пункции и инъекции венозныхсосудов1.2.1.

Ультразвуковые методы контроля качества венепункцииВ медицинских диагностических целях используют ультразвук (УЗ) счастотойвдиапазонемиллионовколебанийвсекунду.Основнымпреимуществом ультразвукового исследования является: УЗ может бытьнаправлен в виде луча, УЗ подчиняется законам отражения и преломления, УЗ17отражается объектами небольшого размера [10]. Основным недостатком УЗявляется плохое отражение в газообразных средах.

Количество отраженного УЗзависит от различий акустических характеристик. Поэтому, когда УЗ проникаетчерез ткань содержащую газы или костные структуры, то почти весьотражается и его проникающая способность незначительна. Частота – это числоколебаний за интервал времени. При этом скорость равна произведениючастоты на длину волны. Таким образом, частота и длина волны связаныобратно пропорциональной зависимостью. Чем больше частота, тем корочедлина волны. Скорость, с которой УЗ проходит через среду, зависит отплотности упругих свойств этой среды. Скорость УЗ достаточно постоянна длямягких тканей и приблизительно равна 1540 м/с. [10,11].ПрохождениеУЗчерезсредыопределяетсявеличиной,котораяназывается акустическим сопротивлением.

Акустическое сопротивление – этопроизведение плотности среды и скорости проникновения УЗ через эту среду.Можно рассматривать акустическое сопротивление исходя из плотности среды,когда звуковая волна проходит через однородную среду, то она в основномдвижется по прямой линии. Но когда луч достигает границы раздела междусредами с различными акустическими сопротивлениями, он испытываетотражение и преломление [10-12].В медицинских диагностических целях используют ультразвуковыесканеры для визуализации момента прокола стенки кровеносного сосуда, какпоказано на Рисунке 1.3, например, при пункции яремной вены.Рисунок 1.3.

Пунктирование стенки сосуда под контролем УЗ18УЗ используют чаще для контроля центральных вен, посколькукатетеризация центральных вен является основным условием интенсивнойтерапии. В основном при пунктировании центральных вен врач оперируетприобретенными практическими навыками. Однако существует множествофакторовзатрудняющихпроведениепунктирования,например,индивидуальные особенности строения пациента, в связи, с чем вероятностьразвития осложнений при катетеризации центральных вен, остается высокой[13].При визуализации катетеризации вены УЗ, возникает ряд преимуществ,которые способствуют окончанию операции без осложнений. ПредварительноеУЗ исследование позволяет получить врачу геометрические параметрысосудистого дерева, например, глубину залегания вены и ее диаметр, такжерасположение окружающих органов относительно вены, например артерий илинервов.

Наиболее распространенные области катетеризации под контролем УЗ– это внутренняя яремная и бедренная вены.Методика УЗ навигации делится на два метода: статический идинамический.Статическийметод–предварительноеисследованиеобластипунктирования, на предмет расположения вены и ее размеров. Проводитсяпередпункциейснанесениемнакожупредварительнойразметкирасположения сосудов.Динамическийметод–наоперационноеполеустанавливаетсястерильный датчик и пунктирование сосудов происходит под ультразвуковымнаведением в режиме реального времени [13-15].УЗ применяют для контроля пункции центральных вен, посколькуусловия проведения пунктирования реанимационные, при этом от качествапроведенной манипуляции может зависеть дальнейшая жизнь пациента. Однакоультразвуковые диагностические аппараты весьма дорогостоящие и требуютпривлечения специалистов УЗ исследования. В связи с этим данная аппаратура19не применяется при пунктировании периферических вен, например привенепункции вены локтевого сгиба.1.2.2.

Оптические методы контроля качества венепункцииОптический метод применяют для визуализации периферических вен нанебольшойглубине.Привзаимодействиеоптическогоизлучениясбиологическим объектом (БО) может происходить множество процессов. Восновном возникает три процесса: отражение и преломление, поглощение,рассеяние. Отражением является процесс возвращения оптического излученияповерхностью, на которую оно падает. Преломление света, является изменениенаправления распространения оптического излучения при его прохождениичерез границу раздела двух сред.

Поглощение интенсивности света возникаетвследствие прохождения его через среду. Способность вещества поглощатьоптическое излучение зависит от: состава вещества, длины волны излучения,толщиныпоглощающегослояивнутреннихпараметров,такихкактемпература. В БО поглощение в основном вызвано молекулами воды илимакромолекулами [16]. Так как ни макромолекулы, ни вода не поглощаютсильно в ближнем инфракрасном диапазоне, то излучение проникает в БО снаименьшими затруднениями, что увеличивает диагностическую ценностьоптического излучения. Рассеяние – удаление фотонов от оси светового пучка,носсохранениемегонаправления.Прираспространениефотонов,формируется ореол.

Размер ореола и доля энергии, которая в нем содержится,зависит от оптических свойств БО и от поперечного диаметра пучка света. Чемменьше диаметр светового пучка, тем большая доля фотонов будет в ореоле[16-21].В медицинской технике существуют изделия принцип действия, которыхоснован на процессах описанных выше. Например, устройство «AccuVeinAV300»,показанонаРисунке1.4.Предназначенодлявизуализациипериферических поверхностных вен на глубине менее 10мм.

Устройство20основано на отражение оптического излучения на границе разделов сред сразной плотностью, например, мягкая ткань и кровь.Рисунок 1.4. «AccuVein AV300»«AV300» излучает оптическое излучение в диапазоне длин волн от 600 до800нм. Красный и ближний инфракрасный спектры выбраны, поскольку вданном диапазоне длинволн,возникает наибольшаяразницамеждуформенными элементами крови, такими как оксигемоглобин и гемоглобин, чтодает возможность дифференцировать ткани [16]. Данное устройство позволяет:визуализировать периферические вены на поверхности кожи пациента и,следовательно, сократить время поиска вен, позволяет добиться однократногопрокола кожи, тем самым, снижая травмоопасность.

Однако устройство непозволяет контролировать проникновение инъекционной иглы в мягкие ткани.При этом у врача все равно остается возможность совершить двойной прокол.1.2.3. Тактильные методы контроля качества венепункцииСуществует несколько способов забора венозной крови: традиционныйспособ – когда кровь самотеком поступает в подставленную пробирку,шприцем, вакуумной системой.21При традиционном способе высока вероятность попадания кровипациента на руки медицинского персонала, что в свою очередь можетпослужить фактором передачи инфекции другому пациенту или медицинскомуработнику.

При использование шприца также высока вероятность инфекциимедицинского персонала и возможного возникновения гемолиза при переносекрови под давлением в пробирку. Использование вакуумных систем для заборакрови наиболее предпочтительно. Способ обладает рядом преимуществ посравнению с описанными ранее способами, основным из которых забор крови взакрытую пробирку, что обеспечивает минимальный контакт медицинскогоработника с кровью пациента [5].Однако все способы корректного забора крови основаны на тактильныхощущениях медицинского сотрудника, что в свою очередь зависит отквалификации медицинского персонала.

Поэтому остается высокая вероятностьвозникновения послепункционных осложнений. Для минимизации осложненийпредложено решение, связанное с установкой в канюлю инъекционной иглыспециальной прозрачной камеры, для визуализации момента прокола стенкивены. Инъекционная игла с навигационной камерой показана на Рисунке 1.5.Рисунок 1.5. Вакуумная система забора крови с навигационной камеройОсновное преимущество иглы с визуальной камерой заключается ввизуализации тока крови в момент прокола стенки вены. Однако кровь в22момент прокола сосуда, попадает в камеру под собственным давлением в вене.Давление в венозных сосудах меняется в зависимости от расположенияотносительно сердца.

Величина венозного давления колеблется от 150 мм вод.ст. в венулах к практически нулевому или даже отрицательному при вдохе, вполых венах возле предсердия. У взрослого человека, размещенного вгоризонтальном положении, в периферических венах давление колеблется от 45до 120 мм вод.

ст. На величину венозного давления влияет: объем кровикоторый поступает в венозную систему, например при физической нагрузке, отдавления в правом предсердии, от емкости венозного русла [22,23].1.2.4. Электроимпедансные методы контроля качества венепункцииБО проводят электрический ток благодаря свободным и связаннымзарядам. Свободные заряды – электроны и ионы. Под действием внешнегоэлектрического поля могут передвигаться от одного электрода к другому,создавая ток проводимости. Однако строение БО ограничивает областьперемещения зарядов.

Связанные заряды перемещаются в ограниченныхпределах, создавая токи смещения, электродвижущая сила которых направленапротив внешнего поля. Это явление называется поляризация. Поляризациябывает: электронная, ионная, дипольная, макроструктурная и поляризация,возникающая при контакте электрода и биологической ткани.Биологические ткани являются композиционными средами, посколькуодни структурные элементы обладают свойствами проводников, а другие –диэлектриков. При анализе действия электромагнитного поля (ЭМП) на живойорганизм его ткани принято рассматривать, как среду, образованнуюпроводниками и диэлектриками [25-28].При прохождение переменного тока через биологические ткани,электрические свойства БО описывается не только активным, но и реактивным(емкостным) сопротивлением.

Для расчета электрических характеристик БО23возможно представить в виде электрической эквивалентной схемы, показаннойна Рисунке 1.6. [29,30].Рисунок 1.6. Схема замещения биологической тканиR1 – сопротивление межклеточной жидкости; R2 – сопротивлениевнутриклеточной жидкости; С – емкость мембраны; Z – электрическийимпедансЭлектрический импеданс биологической ткани и его составляющие,активная (R1, R2) и емкостная (C) меняются с изменением частотызондирующего тока, на котором производятся измерения.Проводимость органов и тканей обусловлена присутствием в них ионов,которые являются свободными зарядами, создающими в организме токпроводимости под действием электромагнитных полей, как создаваемыхвнешними источниками, так и генерируемых живыми клетками. Токпроводимости в живых тканях зависит от их типа, вида и возраста организма.Для тканей, клетки которых представляют собой волокна, ток проводимостизависит от их ориентации относительно направления ЭМП.Существенное влияние на электропроводность БО оказывает содержаниев них воды.

К тканям с низким содержанием воды, около 15% массы ткани,относятся костная и жировая. Их удельная электропроводность невелика:24Λ=0,02 – 0,03 См/м (удельное сопротивление ρ=1/Λ=30-50 Ом⋅м) на частотахЭМП ниже 1 кГц и около Λ=0,2 – 0,3 См/м (удельное сопротивление ρ=3-5Ом⋅м) на более высоких частотах, вплоть до 10 ГГц.

К тканям с большимсодержанием воды, около 70-80%, относятся печень, почки, мышечная ткань,головной мозг. Удельная электропроводность на порядок выше Λ=1 См/м.Электропроводность самой воды мала. У дистиллированной воды прикомнатной температуре Λ=10-5 – 10-4 См/м (ρ=104 – 105 Ом⋅м).Растворениевводесолейрезкоповышаетэлектропроводность.Например, изотонический раствор NaCl в воде (0,85%) при температуре телачеловека (примерно 37°С) имеет удельную электропроводность Λ=1,5 См/м(ρ=0,7 Ом⋅м). Примерно такой же удельной электропроводностью обладаютбиологические жидкости, не содержащие клеток: плазма крови и ликвор – 1,5См/м (ρ=0,7 Ом⋅м), желчь – 1,7 См/м (ρ=0,6 Ом⋅м). За счёт форменныхэлементов (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов) цельная кровь обладаетменьшей удельной электропроводностью, чем плазма крови, Λ=0,5 – 0,7 См/м(ρ=1,4 – 2,0 Ом⋅м).В целом, электропроводность живых тканей определяется, прежде всего,электрическимисвойствамикрови,лимфы,ликвора,межклеточнойивнутриклеточной жидкостей.