Методология флоуметрии, 1998 г. стр.7-18.
Флоуметры фирмы "Transonic Systems Inc."
Рябцева Е.Н.
Фирма "Transonic Systems, Inc." (США), производит приборы "FLOWMETER" для измерения потока крови, кровоснабжения ткани и некоторых важных параметров гемодиализа.
Ультразвуковые измерители объемного потока
Принцип действия
Флоуметры (расходомеры) фирмы Transonic, США используют принцип измерения времени прохождения ультразвука в движущейся среде (transit-time principle) для определения потока крови или других жидкостей от 0,05 мл/мин до 200л/мин.
Датчик для измерения объемного расхода жидкости состоит из контактной измерительной головки, содержащей приемный и излучающий пьезопреобразователи, размещенные с одной стороны сосуда или трубки, и акустического отражателя, закрепленного с противоположной стороны на одинаковом расстоянии от обоих преобразователей.
Рисунок 1. Схема действия ультразвукового датчика.
Электронная схема прибора управляет датчиком в следующем режиме:
1. Прямой цикл:
излучающий пьезопреобразователь под воздействием электрического возбуждения испускает плоскую ультразвуковую волну. Эта волна проходит сквозь сосуд или трубку, отражается от акустического экрана, снова проходит через сосуд и принимается приемным пьезопреобразователем, который преобразовывает полученные акустические вибрации в электрические сигналы. Расходомер анализирует принятый сигнал и регистрирует точно измеренное время прохождения акустической волны от излучающего до приемного преобразователя.
2. Обратный цикл:
последовательность передачи-приема сигнала предыдущего цикла повторяется, но функции излучающего и приемного преобразователей меняются местами. Таким образом, теперь поток жидкости пересекает ультразвуковую волну в противоположном направлении. Расходомер снова регистрирует точное время прохождения.
Ультразвуковая проводящая среда, т.е. поток крови или другой жидкости через сосуд или трубку, будет влиять на измеренное время прохождения точно так же, как ветер влияет на время полета самолета, "подталкивая" его, или течение воды - на скорость пловца. В прямом цикле звуковая волна на всем пути прохождения, как до, так и после отражения от акустического экрана, направлена против составляющей вектора потока, что увеличивает общее время прохождения на некоторую величину. В обратном цикле направление ультразвуковой волны совпадает с направлением вектора потока как до, так и после отражения от экрана (см. рис.1), что уменьшает общее время прохождения на ту же самую величину. Затем расходомер вычитает время прохождения обратного цикла из времени прохождения прямого цикла, и, полученная в результате разность сигналов будет пропорциональна потоку движущейся жидкости. Нетекучие материалы, находящиеся в области измерения потока жидкости, - стенки сосуда или трубки - не влияют на разность сигналов. Вследствие двукратного прохождения ультразвуковой волны через поток, время прохождения в значительной степени не зависит от перекосов (несоосности) датчика и сосуда.
Разница между временем прямого и обратного прохождения, измеренная прибором, пропорциональна потоку жидкости в части сосуда, расположенной под преобразователями:
Tпр- время прохождения луча в прямом направлении
Tобр- время прохождения луча в обратном направлении
К - системная константа
f - рабочая частота
Q - объемный расход
c - скорость звука
q - угол между направлениями ультразвукового луча и потоком.
Затем полученный результат масштабируется в соответствии со значением предела измерений по шкале прибора для датчика и выводится на дисплей как абсолютный объемный расход потока через датчик в мл/мин (л/мин).
Нет необходимости вычислять величину поперечного сечения сосуда, как это делается в электромагнитных или доплеровских системах, измеряющих скорость перпендикулярно хорде или в точке сосуда. В системах Transonic широкий ультразвуковой пучок полностью пронизывает акустическое окно датчика, включая все внутреннее поперечное сечение сосуда. Разница между измеренным временем прохождения ультразвука в прямом и обратном направлениях дает сигнал, пропорциональный объемному расходу, независимо от размеров.
Благодаря тому, что Transonic флоуметры используют широколучевые преобразователи, полностью пронизывающие весь поток внутри сосуда, каждая часть потока непосредственно влияет на увеличение или уменьшение времени прохождения ультразвуковой волны, так, что разница между прямым и обратным прохождениями прямо пропорциональна объемному расходу жидкости через чувствительное окно датчика. Этот прямой метод, использующий полное ультразвуковое просвечивание потока, аналогичен операции математического интегрирования измерений узким пучком по площади внутреннего поперечного сечения сосуда. Таким образом, время прохождения прямо пропорционально произведению площади поперечного сечения потока и средней скорости жидкости, которое по определению есть объемный расход. Технический прием полного просвечивания потока позволяет проводить измерения объемного расхода независимо от размеров сосуда (т.е. для данного объемного расхода, уменьшение вдвое площади поперечного сечения приводит к удвоению значения скорости, а разница времени прохождения остается постоянной). Независимость измерений от диаметра и профиля сосуда дает возможность применять прибор например, на пульсирующих артериях и расширяющихся сосудах, на сосудах изменяющейся формы и даже на пучках сосудов.
Выпускается несколько моделей расходомеров
Интраоперационный измеритель кровотока в сосудах
Рисунок 2. Интраоперационные измерители кровотока в сосудах: одноканальный - HT107 (вверху) и двухканальный HT207 (внизу)
Флоуметр НТ107/207 (выпускаются одноканальные и двухканальные модели) предназначен для измерения объемного кровотока в сосуде во время операции. Встроенный в прибор микропроцессор определяет значение объемного потока в соответствии с размером датчика и калибровкой, поддерживает точность выборки данных, контролирует прохождение ультразвука, представляет данные на табло прибора и формирует информацию для персонального компьютера. Размер датчика выбирается в соответствии с размерами сосуда, например, датчик Н8 - для измерения кровотоков в сосудах диаметром 6,6 - 8,8 мм. Таким образом, с помощью флоуметров Transonic можно измерять объемный поток в сосудах диаметром от 0,7 до 36 мм.
Предлагаются датчики трех модификаций:
Типа "Handle - M"- с ручкой-держателем из нержавеющей стали для удобного, быстрого охвата сосуда.
Рисунок 3. Ультразвуковой датчик типа "Handle - M"
Типа "Basic - R или S" - без ручки, легкий, позволяющий фиксировать датчик на сосуде с помощью подвижной пластины. Буква "R" или "S" определяет угол наклона пьезопреобразователей и, соответственно, размер датчика и его абсолютную погрешность. "R" имеют больший размер и лучшие точностные качества, поэтому предпочтительнее для маленьких сосудов (0,7- 2,5 мм).
Рисунок 4. Ультразвуковой датчик типа "Basic - R"
Типа "Cardiac Output - A" - для измерения сердечного выброса.
Особенно широко флоуметры используются в сердечно-сосудистой хирургии, трансплантологии, нейрохирургии. Позволяют оперативно оценить результат реконструктивной операции.
Рисунок 5. Интраоперационный ультразвуковой измеритель кровотока в сосудах HT311.
С 1997 года Transonic Systems Inc. начал выпуск новой модели флоуметра - HT311 с встроенным самописцем. Новый прибор выполняет все функции прежней модели HT107 и имеет одну новую: измерение кровотока в сосудах малого диаметра (1-3 мм) при нейрохирургических операциях. Специально разработаны для этих целей одноразовые датчики удобной конструкции.
Интраоперационный измеритель кровотока в системах искусственного кровообращения и для контроля качества гемодиализа.
Флоуметры HT109 (новая модель - НТ110) предназначены для измерения объемных потоков в системах искусственного кровообращения, HD01 - для контроля качества гемодиализа. Неинвазивно, в режиме реального времени, измеряет рециркуляцию, сердечный выброс, кровоток артерио-венозной фистулы.
Принцип действия
Скорость ультразвука в крови (1560-1590 м/сек) зависит в основном от концентрации в ней белков, солей. Transonic Монитор для гемодиализа с датчиком потока может измерять объемный поток в трубке и скорость ультразвука в крови. Болюсное введение раствора с известными свойствами (скорость ультразвука 1533 м/сек) вводится поток крови и уменьшает скорость ультразвука, что приводит к появлению регистрируемой кривой разведения.
Функциональные особенности
Немедленное определение
процента рециркуляции
Для оперативного диагноза
без отбора образцов крови;
Измерение кровотока
артерио-венозной фистулы-
Простая процедура с
введением физиологического
раствора может повторяться
неоднократно;
Определяет случаи
рециркуляции
Измерение прямого
проходящего потока
устанавливает различие между
точкой помещения иглы
недостаточностью прохождения;
Непрерывное определение
потока крови в
экстракорпоральном контуре
Подтверждает указанную
производительность;
Совместимый со всеми
диализными системами
Неинвазивный
ультразвуковой датчик
помещается на любые
стандартные трубки;
Лазер-доплеровские флоуметры BLF 21 (одноканальный и двухканальный) - для измерения кровоснабжения в 1 мм3 ткани.
Рисунок 6. Лазер-доплеровский флоуметр BLF 21 - для измерения кровоснабжения ткани
Малый уровень излучаемой энергии (<2mW) делает приборы совершенно безопасными. Они незаменимы для:
Приборы используются для диагностики в кардиологии, ревматологии, при диабете, при ожогах (в том числе электрических и ингаляционных), для оценки степени поражения ткани при огнестрельных ранениях, для мониторинга в сосудистой хирургии, в стоматологии. Выпускается 7 типов датчиков.
Рисунок 7. Лазер-доплеровский датчик для поверхностных измерений (тип R).
Рисунок 8. Лазер-доплеровский иглообразный датчик (тип N).
Важным свойством всех приборов фирмы Transonic Systems Inc. является универсальность выдачи измеренных значений - в аналоговом виде на самописец, в цифровом виде на табло и через интерфейс на экраны персональных компьютеров типа IBM/XT/AT. Инструкции по эксплуатации переведены на русский язык. Есть русифицированная версия сервисной программы. Собрана обширная библиотека публикаций об использовании приборов.
Ультразвуковые флоуметры для исследовательских целей Т106/206.
Отличаются от аналогичных приборов для клинического применения большим разнообразием датчиков (как для острого, так и для хронического эксперимента) и предлагаемыми аксессуарами - фиксаторами и разъемами. Специально для исследований на мышах разработаны миниатюрные датчики, позволяющие измерять кровоток в сосудах диаметром 0,2 мм!
Флоуметры дают новые возможности как исследователям, так и практикующим врачам, с их помощью Вы получите новые научные результаты.
Лазер-доплеровские флоуметры для исследовательских целей.
Кроме описанных выше, разработаны датчики типа "М" -имплантируемые для хронических экспериментов.
