فشار خون و صدا
Blood Pressure and Sound
حسین منتظری کردی
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
پاییز 91
رئوس مطالب
1- اندازه گیری های مستقیم
2- تحلیل هارمونیکی شکل موج های فشارخون
3- خواص دینامیکی سیستم های سنجش فشارخون
4- اندازه گیری پاسخ سیستم و تاثیر پارامترهای آن روی پاسخ
5- پهنای باند مورد نیاز برای سنجش فشارخون
6- اغتشاش در شکل موج فشار
7- سیستم های اندازه گیری فشار وریدی
8- صداهای قلبی و صدانگاری قلبی (Phonocardiography)
9- سوندزنی (کاتتر زنی) قلب
10- تاثیرات انرژی پتانسیل و جنبشی روی اندازه های فشار
11- اندازه گیری غیرمستقیم فشارخون
12- فشارسنجی چشم (Tonometry)
مقادیر فشارخون در حفره های قلب و سیستم رگ های جانبی مبین درستی کارکرد سیستم گردش خون
اندازه گیری فشارخون با روش های مستقیم (تهاجمی) و غیرمستقیم (غیرتهاجمی)
صداها: نوسانات فشار در محدوده فرکانس شنوایی
کار گردش خون رساندن اکسیژن و مواد مغذی به بافت، و انتقال مواد زاید از سلول ها
فرستادن خون توسط بطن چپ از طریق دریچه آئورتی به آئورت و توزیع در شبکه انشعابی شریان های بزرگ، کوچک، و مویرگها
تنظیم مقاومت در برابر جریان خون بوسیله رگچه ها با کنترل محلی، عصبی، و غدد درون ریز
برگشت خون به قلب راست از طریق سیستم وریدی، پرشدن دهلیز راست، و انتقال خون به بطن راست از طریق دریچه تری کوسپید (Tricuspid)
فرستادن خون به سیستم ریوی از طریق دریچه ریوی توسط بطن راست
جاری شدن خون در رگ ها، رگچه ها، و مویرگ های ریوی و برگشت از طریق ورید ریوی به بطن چپ
بترتیب نفوذ اکسیژن و دی اکسیدکربن از جبابچه های ششی به خون، و بالعکس در مویرگهای ریوی
پرشدن بطن چپ توسط دهلیز چپ از طریق دریچه میترال، و پمپاژ خون به آئورت توسط بطن چپ در پاسخ به تحریک الکتریکی ماهیچه قلبی
تفاوت فشارهای قلب راست و چپ تاحدی در شکل و دامنه
ارتباط صداهای قلبی با حرکت خون و وقایع مکانیکی و الکتریکی قلب در طول یک سیکل قلبی
1- اندازه گیری های مستقیم
تقسیم بندی سیستم های حسگر فشارخون به دو گروه برحسب محل قرارگیری حسگر
معمول ترین روش اندازه گیری مستقیم کلینیکی استفاده از یک حسگر خارجی از طریق یک سوند پرشده از مایع متصل به فشار رگی
رهیافت دوم حذف کوپلاژ مایع با استفاده از یک حسگر در نوک سوند بنام حسگر فشار داخل رگی (Intravascular)
حسگرها شامل: SG، LVDT، اندوکتانس و خازن متغیر، الکترونیک نوری، پیزوالکتریک، و قطعات نیمه هادی
حسگرهای بیرون رگی (Extravascular)
ساخته شده از یک سوند متصل به یک شیر سه وضعیتی و بعد حسگر فشار
سیستم حسگر-سوند، پرشده از محلول قند-نمک، ریختن محلول جهت جلوگیری از لخته شدن خون در نوک
انتقال فشارخون از طریق سوند ستون مایع به حسگر و سرانجام، دیافراگم
حسگرهای درون رگی (Intravascular)
حذف اتصال هیدرولیک بین منبع فشار و حسگر از طریق حسگرهای نوک-سوندی
اتصال هیدرولیک موجب محدودیت پاسخ فرکانسی سیستم حسگر-سوند بدلیل ایجاد تاخیر
حسگرها شامل: Bonded SG با دیافراگم انعطاف پذیر و سوند F 5 (مقیاس فرانسوی برای قطر با اندازه تقریبیmm 0/33 برای هر واحد، F 5 سوند با قطر بیرونی mm 1/67)
عیب این حسگرها گرانتر بودن و احتمال شکستن پس از چند بار استفاده، حسگر فیبر نوری در اندازه قابل قیاس با SG و ارزانتر، اما متاسفانه فاقد روشی معمول برای اندازه گیری فشار بدون یک حسگر فشار ثانویه و ملزومات دیگر
استفاده از حسگر فیبر نوری برای اندازه گیری in vivo در داخل بدن انسان، تغییر غشاء فلزی نازک در اثر فشارخون
حسگر فیبر نوری جهت اندازه گیری فشار داخل جمجمه در نوزاد از طریق ملاج قدامی
حسگرهای فشار یکبارمصرف
حسگرهای یکبارمصرف جهت جلوگیری از انتقال عفونت و ارزانتر با قابلیت اطمینان بیشتر
امپدانس خروجی بالای این حسگرها، نیاز به یک مانیتور با امپدانس ورودی بالا
1- تحلیل هارمونیکی شکل موج فشارخون
تحلیل فرکانسی پالس شریانی حاوی اطلاعات بیشتر از خواص آن
3- خواص دینامیکی سیستم های سنجش فشارخون
اهمیت فهم خواص دینامیکی سیستم سنجش فشار در دقت پویای فشار سنجیده شده
سیستم الکتریکی مشابه
استفاده از روش مدلسازی پارامتری تکه ای در تقریب سیستم حسگر-سوند
حرکت مایع از نوک سوند به سمت حسگر از طریق سوند با افزایش فشار موجب انحراف دیافراگم و حس شدن با یک سیستم الکترومکانیکی
نمایش خواص سکون، اصطکاک، و کشسانی مایع بترتیب با سلف، مقاومت، و خازن
حسگر نیز دارای خواص مشابه مایع، ولی دیافراگم دارای خاصیت کشسانی
خازن دیافراگم بزرگتر از حسگر و سوند، مقاومت و سلف حسگر ناچیز، مدل ساده شامل خازن دیافراگم-مقاومت و سلف سوند
RC مقاومت مایع سوند برحسب اختلاف فشار قسمت تحت مدل (ΔP , Pa) و نرخ جریان مایع (F , m3/S)، و یا سرعت متوسط (m/S) و سطح مقطع سوند (m2)
مقدار RC قابل محاسبه برحسب طول سوند (L , m)، شعاع سوند (r , m)، و ویسکوزیته مایع ( η , Pa×S)
LC مایع سوند در ابتدا ناشی از جرم مایع، برحسب شتاب مایع (a, m/S2)
m جرم مایع برحسب kg، ρ چگالی مایع برحسب kg/m3
طول سوند درازتر و قطر آن کمتر در قیاس با حسگر، لذا اندوکتانس و مقاومت حسگر در برابر سوند قابل صرفنظر
ظرفیت خازنی دیافراگم برابر است با
Ed حجم کشسانی دیافراگم حسگر، باتوجه به مدار معادل ساده، بازای vi بعنوان فشار ورودی مقدار vo فشار دیافراگم
باتوجه به مدل سیستم درجه دوم در فصل اول، پارامترهای مدل:
برای سیستم هیدرولیک سوند-مایع-حسگر-دیافراگم با قراردان مقادیر اندوکتانس، مقاومت و خازن در رابطه بالا
جدول (1-7) مقادیر ثابت ها در شرایط مختلف محیطی برای آب، هوا، و خون
امکان مطالعه اثرات تغییر در سیستم با استفاده از سیستم معادل الکتریکی، مدل کردن اثر حبابچه در مایع با موازی کردن یک خازن با خازن دیافراگم
اثر حبابچه کاهش فرکانس میرایی و افزایش ضریب میرایی، کاهش فرکانس میرایی موجب اغتشاش فرکانس بالا در شکل موج فشارخون
4- اندازه گیری پاسخ سیستم و تاثیر پارامترهای آن روی پاسخ
تکنیک پاسخ پله گذرا، ساده ترین روش برای اندازه گیری پاسخ سیستم حسگر-سوند
روش دقیقتر، اما پیچیده تر با تجهیزات ویژه، اندازه گیری پاسخ فرکانسی
پاسخ پله گذرا
اعمال یک ورودی ناگهانی به فشار سوند و ثبت نوسانات میراشونده سیستم
پاسخ پله گذرا نشان دهنده یک سیستم مرتبه دوم
تعیین ضریب و فرکانس میرایی از روی دامنه و زمان بین پیکهای متوالی
تاثیر پارامترهای سیستم روی پاسخ
ارتباط خطی بین فرکانس طبیعی میراشونده و طول سوند با رابطه 1/(L)1/2
ارتباط خطی بین فرکانس طبیعی میراشونده و قطرداخلی سوند
جنس سوند، خمیدگی و پیچش سوند، و سوراخ سوزن موثر در فرکانس پاسخ
5- پهنای باند مورد نیاز برای سنجش فشارخون
باند فرکانسی لازم جهت عدم اغتشاش در مشخصات دامنه و فاز در شکل موج فشارخون
6- اغتشاش در شکل موج فشار
وابسته بشکل نامناسب پاسخ فرکانسی سیستم حسگر-سوند
اغتشاش زیرمیرا موجب تخمین اضافی فشار در تشخیص نادرست بیماری تنگی دریچه های قلبی (Aortic-valve stenosis)
پاسخ فوق میرا ناشی از حباب های بزرگ هوا یا لخته خون در نوک سوند
خم شدن و حرکت لرزشی سوند ناشی از جریان پالسی در اتصال به شریان بطنی موجب نوسان فرکانس پایین؛ کاهش این خطا با استفاده از سوند سفت یا قراردادن سوند در ناحیه با سرعت آهسته جریان خون
7- سیستم های اندازه گیری فشار وریدی
فشار وریدی یک پارامتر مهم در تشخیص عملکرد بستر مویرگی و قلب راست
فشار وریدهای کوچک کمتر از فشار مویرگی و انعکاس دهنده فشار مویرگی
فشار ورید ریوی (داخل سینه ای) مبین فشار دیاستول پرشدن بطن راست
اندازه گیری فشار ورید مرکزی در یک ورید مرکزی یا دهلیز راست، نوسان در بالا و پایین فشار اتمسفر با تنفس بیمار، مرجع سطح فشار ورید در دهلیز راست
تعیین عملکرد ماهیچه قلبی با فشار ورید مرکزی، پارامتری مهم در تعیین درمان صحیح برای موارد: کار غیرعادی قلب، شوک، حجم خون دهی کم یا زیاد، و اختلال گردش خون
یک پارامتر در تعیین میزان مایع دریافتی توسط بیمار
تغییر فشار ورید مرکزی بین 0 تا 1/2 کیلوپاسکال با متوسط 0/5 کیلوپاسکال
8- صداهای قلبی و صدانگاری قلبی (Phonocardiography)
گوش دادن به صداهای قلبی حاوی اطلاعات ارزشمند راجع به عملکرد صحیح قلب
صدانگاری قلبی بیانگر ارتباط بین وقایع الکتریکی و مکانیکی قلب با صداهای قلبی
صداهای قلبی: لرزش یا صدای ناشی از شتاب گیری یا کاهش شتاب خون
مورمور یا سوفل قلبی: لرزش یا صدای ناشی از تلاطم (توربولنس) خون
اولین صدای قلبی مرتبط با حرکت خون در سیستول بطنی، انتقال خون با انقباض بطن و ایجاد نوسان در خون با بسته شدن دریچه دهلیزی-بطنی
تعریف شکاف صدای اول قلبی بعنوان بسته شدن ناهمزمان دریچه های میترال و تریکوسپید
صدای فرکانس پایین دوم قلبی ناشی از کاهش شتاب خون و برعکس شدن جریان در آئورت و شریان ریوی، و بسته شدن دریچه های هلالی (دریچه بین بطن و آئورت)
صدای دوم منطبق با کامل شدن موج T در ECG
صدای سوم قلبی از اتمام ناگهانی فاز سریع پرشدن بطن ها از دهلیز و لرزش ماهیچه های دیواره بطن، قابل شنیدن در بچه ها و برخی از بزرگسالان
صدای چهارم یا صدای دهلیزی قلب ناشی از انقباض دهلیز و جلو راندن خون بسمت بطن، غیرقابل شنیدن ولی قابل ثبت با صدانگار قلبی
منشاء بیشتر سوفل های قلبی ریشه در توربولنس بواسطه حرکت سریع خون
سوفل ها در فاز زودرس سیستول در بچه ها، و بزرگسالان پس از فعالیت
سوفل های غیرنرمال دراثر تنگی یا نارسایی در دریچه های آئورت، ریوی، و میترال
آشکارسازی سوفل ها برحسب زمان مشاهده در سیکل قلبی و محل مشاهده آنها در زمان اندازه گیری
تکنیک های گوش کردن بصداهای قلب
عبور صداهای قلبی از قلب و رگ های اصلی به سطح بدن، تضعیف صداهای قلبی تحت خواص آکوستیک مسیر عبور، بیشترین تضعیف در بافت های تراکم پذیرشش و لایه های چربی
وجود مراکز بهینه برای ثبت صداهای قلبی، بیشینه بودن دامنه صداهای قلبی در این مراکز بدلیل مسیر سفت و نازکی شش، وجود چهار مرکز سینه ای برای ثبت صدای چهار دریچه
دامنه کوچک صداها و سوفل قلبی با فرکانس بین 0/1 تا 2000 هرتز، صدای لبه پایینی زیر آستانه شنوایی و لبه بالایی در ناحیه بیشینه حساسیت شنوایی گوش انسان
انتخاب مناسب صدانگار قلبی باتوجه به عدم تاثیر روی مشخصات پاسخ فرکانس بالای صدای قلبی؛ پرتوی نور، جوهرافشان، و آرایه ثبات دیجیتال انتخابی مناسب
جهت ثبت خوب، کاهش نویز محیط ثبت صدا در اتاق آکوستیک
گوشی های طبی
گوشی جهت انتقال صدای قلبی از دیواره سینه به گوش انسان
تکنیک ساخت گوشی و سیستم شنوایی موثر در تفسیر صدای قلبی
9- سوندزنی قلب
فروکردن یک لوله فلزی یا پلاستیکی در حفره، یا رگ قلب
تجهیز اتاق سوندزنی قلب به دستگاه پرتو X برای دیدن ساختار قلب و مکان سوندهای مختلف فشار، بعلاوه وسایل سنجش خروجی قلب- گاز خون و تنفس- اشباع اکسیژن خون – و محصولات متابولیک
امکان سنجش فشار در حفره های قلبی، رگ های بزرگ، و دریچه های قلبی با سوندزنی
بعنوان مثال بیماری با تنگی آئورت، افت فشار در آئورت نسبت به بطن چپ و گرادیان قابل توجه بین فشار بطن-آئورت قبل از عمل جراحی؛ کاهش اختلاف فشار بطن-آئورت بعد از عمل با بالون
بررسی ساختار قلب با آنژیوگرافی، وجود روشهای استاندارد: بررسی بطن های چپ و راست( Ventriculography)، شریانهای کروناری (Coronary arteriography)، شریان ریوی (Pulmonary angiography)، و آئورت (Aortography)
امکان وقوع ضربان های نابجا (Ectopic) و فیبریلاسیون قلبی در طول زمان سوندزنی و لزوم بودن دیفیبریلاتور در اتاق سوندزنی
استفاده از IVUS (اولتراسوند داخل رگی) جهت ارایه تصویر از عروق کروناری برای تشخیص محل و مشخصات پلاک
اندازه گیری تنگی دریچه ای با محاسبه تفاضل فشار در دو طرف دریچه و جریان عبوری از آن با معادله برنولی برای جریان بدون اصطکاک:
Pt فشار کل مایع، P فشار ایستای محلی مایع، ρ چگالی مایع، g شتاب جاذبه، h ارتفاع بالای سطح مرجع، و u سرعت مایع
با توجه بشکل و فرضیات ساده کننده:
اعمال ضریب تخلیه، Cd، بدلیل وجود اصطکاک و حداقل بودن سطح جریان در عمل
Cd برای دریچه میترال 0/6 و مابقی 0/85
10- تاثیرات انرژی پتانسیل و جنبشی روی اندازه های فشار
امکان سنجش غیردقیق در اندازه گیری فشار خون در اثر انرژی جنبشی و پتانسیل
طبق معادله برنولی، فشار ایستای مایع (P)، فشار مطلوب؛ تحت تاثیر سرعت و ارتفاع
قرارگرفتن حسگر در ارتفاعی بغیر از ارتفاع منبع فشار (قلب) موجب تغییر فشار تحت تاثیر انرژی پتانسیل
افزودن mmHg 1 به فشار اندازه گیری شده بازای هر cm 1/3 افزایش فشار منبع
اهمیت انرژی جنبشی خون در جریان بالای خون؛ تاثیر انرژی جنبشی وابسته به وضعیت حسگر نسبت به جریان خون
11- اندازه گیری غیرمستقیم فشارخون
تلاشی جهت اندازه گیری فشار درون شریانی با روش غیرتهاجمی، استفاده از یک کاف با گوشی معمولترین روش سنجش کلینیکی با پهنای باند 20 تا 300 هرتز
با کاهش فشار، در شوک، تمایل طیف صدای فشار خون بسوی فرکانس های پایین
تاثیر سن و جنس در اندازه گیری فشار خون با روش گوش دادن به صدای فشار خون
وجود روشهای خودکار برای سنجش فشار خون با استفاده از بادکردن یک کاف قابل انسداد بوسیله نبض سنج (Sphygmomanometer) و اندازه گیری پالس فشار با آشکارساز
انواع آشکارسازها: اولتراسونیک، پیزوالکتریک، فوتوالکتریک، الکتروآکوستیک، حرارت سنج، الکتروکاردیوگرافیک، جریان سنج، و قطعات امپدانس بافت
سنجش فشار خون به روش اولتراسونیک با حسگر داپلر جهت آشکارسازی حرکت دیواره رگ در وضعیت های مختلف انسداد
اختلاف فرکانس بین 40 تا 500 هرتز ناشی از حرکت دیواره رگ و سرعت خون بین فرستنده و گیرنده
برای فشار کاف بین سیستول و دیاستول، باز و بسته شدن رگ با هر ضربان قلب
مزیت بکارگیری روش اولتراسونیک برای نوزادن و اشخاص کم فشار (Hypotensive) و محیط های پرصدا
عیب این روش تغییر مسیر اولتراسونیک بین رگ و حسگر در اثر حرکت بیمار
روش اوسیلومتری جهت سنجش دامنه نوسانات سیگنال فشار کاف ناشی از انبساط دیواره شریان هربار با عبور تحت فشار خون
سنجش میانگین فشار خون با روش اوسیلومتری، روشی جهت سنجش فشار سیستول، استفاده از الگوریتمهای تخمین جهت سنجش فشار دیاستول
سیستم اوسیلومتری شامل: یک کاف قابل باد شدن جهت بستن دور بازو، یک پمپ پنوماتیک، یک حسگر فشار حالت جامد، تقویت کننده سیگنال فشار کاف با تصحیح آفست صفر، فیلتر بالاگذر و تقویت کننده سیگنال فشار کاف، ریزرایانه کنترل بادکردن و تخلیه کاف در چرخه سنجش
12- فشارسنجی چشم (Tonometry)
استفاده از تکنیک تقارن نیرو در سنجش فشار چشم با ابزارهای تماسی و غیرتماسی
اندازه گیری تخت شدن سطح مرکزی قرنیه با پالس هوا برای سنجش فشار چشم
سیستم غیرتماسی سنجش فشار چشم متشکل از:
پمپ پنوماتیک؛ مولد پالس هوا برای تغییر انحنای سطح مرکزی قرنیه
سامانه مانیتور تغییر انحنای قرنیه؛ تعیین تغییر شکل قرنیه با دقتی درحد میلی ثانیه
فرستنده و آشکارساز نوری مایل؛ ارسال پرتوهای نور موازی توسط فرستنده T، و دریافت امواج انعکاسی با گیرنده R، عملکرد قرنیه تغییریافته بمثل آینه تخت در انعکاس دسته نور موازی بسوی آشکارساز D از روزنه A
تونومتر شریانی مشابه فشارسنج چشم
قراردادن حسگر روی یک شریان سراسری مانند شریان دست در ناحیه مچ
قیمت بالا نسبت به فشارسنج معمولی، ولی غیرتهاجمی- بدون درد- سنجش پیوسته در زمانهای طولانی
اعمال نیرویی مخالف با نیروی وارده توسط استخوان زیر شریان، تخت شدن دیواره شریان در مرکز سنجش بدون انسداد، قابل صرفنظربودن ضخامت پوست در قیاس با قطر شریان، دیواره شریان بمثل یک غشاء ایده آل، ثابت فنر تونومتر بزرگتر از خاصیت فنری شریان
تناسب نیروی حسگر با فشار درون شریان تحت شرایط بالا