Рис. 10.32.Сканирование сердца в В-режиме
Одним из способов получения такого дугового изображения из ультразвуковых векторов является построение вращающегося преобразователя. Эти устройства имеют встроенный в конец преобразователя двигатель. Электрические импульсы возбуждения кристалла поступают от электронного блока через кольца коммутатора, которые позволяют кристаллу вращаться. При достижении заданного угла кристалл испускает быструю последовательность импульсов, позволяющую сформировать векторы звуковых волн и получить информацию об эхе. Преимущество этого метода заключается в использовании одного кристалла преобразователя и связанной с ним схемы приема и передачи. Основной недостаток заключается в том, что в преобразователе появляются движущиеся части, что делает его очень уязвимым к физическому повреждению, механическому износу и может вызвать шумы в сигнале.
Другим вариантом является ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования снабженный множеством отдельных кристаллов, образующих прямую линию. Каждый кристалл имеет свою цепь передачи и приема. Управляя порядком включения кристаллов можно генерировать определенную волну, которая будет направлена но радиальной линии сектора. Этот сигнал принимается и усиливается каждым кристаллом, затем сигналы суммируются и дают один вектор сканирования. Преимущество этого датчика заключается в том, что вектор формируется без использования движущихся частей. Обычно преобразователи ультразвуковых датчиков для конвергентного сканирования меньше, чем преобразователи с вращающейся головкой.
Изготовить головку преобразователя с множеством мелких кристаллов достаточно сложно и очень дорого. Множество плат приемников и передатчиков увеличивает стоимость систем с ультразвуковыми датчиками конвергентного сканирования, но это может оказаться полезным при обслуживании таких устройств. Типичный секторный сканер показан на рис. 10.33. Ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования находится слева от прибора, а на экране показано сохраненное изображение.
Рис. 10.33.Типичный секторный сканер для эхокардиографии
Все эти приборы предоставляют собой достаточно сложные цифровые преобразователи, которые превращают информацию звуковых векторов в видеоизображения, чтобы вывести на стандартный растровый монитор. Большинство этих систем оцифровывают аналоговый сигнал яркости для каждого вектора и выполняют различные функции цифровой обработки для улучшения окончательного изображения.
Вследствие природы схем ультразвукового датчика для конвергентного сканирования, печатные платы секций приема и передачи обычно устанавливаются в корпус, что затрудняет измерения. Для того, чтобы работать с такой печатной платой, необходима специальная плата-переходник, поставляемая изготовителем. Она обеспечивает механическую фиксацию и электропитание исследуемой платы вне корпуса. На практике очень трудно увидеть воздействие одной платы приема-передачи на качество изображения. Хорошее изображение можно получить, даже если удалить несколько плат, так как каждая из них дает не отдельный вектор изображения, а участвует в обеспечении точности и полноты каждого вектора в сканировании сектора.
Для проверки выхода платы приема-передачи необходимо с помощью осциллографа наблюдать каждый принимаемый сигнал до суммирования. Понимание функций базовой секции очень важно для локализации неисправности в таком сложном устройстве.
Если проблема заключается в плохом качестве изображения, специалист по биомедицинскому оборудованию должен определить, имеет ли место неисправность в самом оборудовании, или прибор неправильно используется. Ничем нельзя заменить опыт при определении правильности формирования изображения. Вес пациента, структура костей, положение датчика и т. д. влияют на качество изображения. Большинство специалистов очень хорошо знают изображение собственного сердца при правильной работе установки и при стандартном положении органов управления. Поместив датчик между ребер, специалист немедленно получает изображение. Это помогает ему попять, насколько хорошо работает прибор.
Значительное время при работе с этими устройствами тратится скорее на калибровку, чем на поиск неисправностей. Большинство обычных жалоб касаются именно качества изображения. Аналоговые эхосигналы переводятся в различные оттенки серого циста и сохраняются в преобразователе. Сигналы обрабатываются с использованием средних значений и интерполяции для придания плавности изображению и уменьшения воздействия шума. Даже если все схемы сбора и обработки данных работают отлично, изображение должно еще быть выведено на самописец или экран. Специалист должен регулярно калибровать видеосекцию для обеспечения должной яркости и контрастности. Генераторы тестовых сигналов часто встраиваются в систему для регулировки чистоты изображения и проверки способности устройства показывать все оттенки серого.
Измерения расстояний также необходимо проверять с помощью тестовой модели. Тестовая модель представляет собой блок из материала, который может проводить звуковые волны с такой же скоростью, как человеческое тело.
В блок встраиваются металлические объекты, которые будут давать отражение сигнала. Поскольку расстояние от датчика до каждого металлического объекта известно, можно настроить систему ультразвуковых измерений для соответствия этим величинам.
Лабораторные инструменты
В клинической лаборатории используется множество приборов для анализа крови и других жидкостей организма с помощью тестов. Большинство из них работают по сходным принципам и являются достаточно сложными автоматизированными приборами. Через определенные промежутки времени они автоматическим калибруют сами себя для обеспечения заданного стандарта, часто это происходит каждый час или два. Они автоматически перемещают образец в зону контакта с тем или иным типом датчика, что вызывает изменение напряжения, тока или сопротивления, пропорциональное измеряемой физиологической переменной. После стабилизации величины и получения результатов, образец смывается, и машина промывается для подготовки к обработке нового образца. Для объяснения основных принципов работы лабораторных инструментов мы остановимся на газовом анализаторе артериальной крови. Это типичный инструмент для больничных лабораторий, используемый при состояниях больного, близких к критическим.
Газовый анализатор артериальной крови
Нередко пациенты в очень тяжелом состоянии подключаются к системе жизнеобеспечения. Одним из наиболее важных приборов такого рода является вентилятор, который подает воздух в легкие пациента через регулярные интервалы. Врач, специалист по респираторным заболеваниям, определяет необходимый объем дыхания и частоту, с которой должен дышать пациент. Простого правила, которое определило бы необходимое количество воздуха для каждого пациента, не существует. Многие величины (вес, метаболизм, емкость легких, эффективность их работы и другие факторы) определяют, какое дыхание нужно пациенту; чтобы в его кровь поступало нужное количество кислорода и чтобы удалить двуокись углерода.
Лучший способ узнать, работают ли легкие правильно (и с вентилятором и без него), заключается в том, чтобы взять пробу крови из артерии и измерить содержание кислорода и двуокиси углерода. Другой важный параметр крови, на который действуют легкие — кислотно-щелочной баланс, который называется pH. Измеряя эти переменные, можно установить скорость вращения и, соответственно, объем подачи воздуха в легкие для обеспечения адекватного выполнения их функции. Поскольку результаты часто нужно получить очен», быстро для принятия критических решений по вопросу жизнеобеспечения, газовый анализатор крови часто располагается непосредственно в отделении жизнеобеспечения, очень близко к палатам пациентов.
Современный газовый анализатор артериальной крови представляет собой очень сложную автоматическую систему (рис. 10.34).
Рис. 10.34.Газовый анализатор артериальной крови
Для анализа пробы крови открывается дверка или крышка, и появляется небольшая металлическая трубка. Кровь из шприца вводится в трубку. Когда введено достаточное количество, прибор просит оператора прекратить подачу и закрыть дверцу. Насос втягивает пробу через внутреннюю систему трубок в зону, где он вступает в контакт с тремя электродами или датчиками. После стабилизации показаний датчиков данные записываются и насос с помощью соляного раствора начинает откачивать пробу в сливную емкость. После промывания через трубки прокачивается воздух для подготовки к обработке нового образца.
Один из датчиков называется рН-электродом. В растворе рН определяется с помощью измерения небольшого потенциала, который образуется между активным электродом и эталоном, находящимся в контакте с раствором. Активный электрод запечатан в стеклянную трубку, наполненную буферным раствором.
Кончик трубки изготовлен из pH-чувствительного стекла, которое вступает в контакт с образцом. На стеклянном кончике трубки образуется разность потенциалов ионов. Эталонный электрод всегда находится в контакте с раствором хлорида калия (КСI), который накачивается через трубки до тех пор, пока не вступит в контакт с образцом крови. Электроды преобразуют разность потенциалов между кровью и буферным раствором в пропорциональное рН-напряжение.
Электронная схема для измерения рН фактически представляет собой очень точный вольтметр с высоким входным сопротивлением.
Электрод рСО2, изготавливается при помощи электрода pH, вставленного в пластиковую трубку, наполненную инертным буферным раствором. Стандартный электрод располагается в трубке таким образом, что вступает в контакт с буферным раствором, который отделен от крови очень тонкой полупроницаемой тефлоновой мембраной. Когда СО2, из крови проходит через мембрану, он значительно изменяет ионный потенциал между буферными растворами с каждой стороны рН-чувствительного стекла. Измеренное напряжение пропорционально парциальному давлению СO