lil -5-Ŕ- 2.2. Měřeni a indikace síly v medicíně a biologu Problematika měření nebo indikace síly v biologii a medicíně je velmi různorodá, což velmi dobře koresponduje se značnou variabilitou silových projevů v bio-medicíně. K tomu přispívá nakonec i ta skutečnost, že řada projevů živého organizmu je s výhodou na sílu převáděna. Z technického hlediska jde o problém analogového převodu mechanické veličiny, v tomto případě tedy síly, na odpovídající elektrický signál. V zásadě jde tedy o shodný problém, jako při měření tlaků a je také Zpravidla využíváno velmi podobných řešení a shodných principů, například tenzometrických, kapacitních nebo induktivních mechanoelektrických převodníků. Tomu také odpovídá problematika použitých materiálů, technologie a způsob elektronického zpracování. 2.2.1. Tokografiea tokometrie Abdominální tokografie nebo tokometrie je typickým případem měření nebo indikace síly, vyvolané například kontrakcemi děložních svalů při porodu. Jde o jednu z hlavních oblastí aplikace, i když lze obecně tokometrii chápat jako obor měření stahů různých biologických tkání, obvykle svalů. Neomezuje se tedy pouze na porodnictví. Přesto je však převážně spojována se záznamem průběhu děložních kontrakci v předporodním období, těsně před porodem nebo během vlastního porodu. Samotné snímání děložních kontrakcí má jen podružný význam a důležitosti nabývá především ve spojeni se sledováním dalších údajů, které charakterizují průběh porodu a hlavně stav plodu během jeho nitroděložního života. Průběh děložních kontrakcí je proto sledován současně s fetální tepovou frekvencí [ 35 ] nebo p02, případně i pH. Souhrne je pak toto měření, které mé charakter dlouhodobého monitorování, nazýváno kardiotokografií a zabývá se posouzením průběhu těhotenství, porodu a vytypováním rizikových těhotenství. Tokometrie je tedy součástí této metody a jejím hlavním úkolem je charakterizovat rozsah mechanického působení na plod během těhotenství a během porodu. Jde tedy vlastně o nepřímou indikaci nitroděložního tlaku, který bezprostředně působí na plod a ovlivňuje jej. Základní metody tokometrie jsou zřejmé z obr.2.35. Metody měření intraamniálního, intrauterinálnlho a rektálního tlaku svou problematikou spadají do kapitoly 2.1.2. Pro klinickou praxi však mají význam především neinvazivnl, abdominální metody, které mají charakter detekce silových projevů kontrahujícíhoc'svalstva, popřípadě je metodu možné charakterizovat jako detekci tuhosti resp. poddajnosti děložnl stěny. Jde o nepřímou metodu, která neposkytuje tak rozsáhlé informace jako metody přímé, snižuje však případné riziko pro matku i plod a metoda je použitelné v kterémkoliv stupni těhotenství. Princip měření spočívá v zatlačení kolíku nebo plošky přes kůži břicha, matky ďoi děložni stěny konstantní silou. Pokud jě děložnl stěna v klidu, nemění se poloha kolíku, je tedy v poloze, které odpovídá hodnotě bazélniho napětí svalu dělohy. Pokud dochází ke stahu děložních svalů a tím i zvýšení tuhosti děložnl stěny, je kolík vychýlen ze své klidové polohy silou, která odpovídá změně tuhosti děložnl stěny a tedy i intenzitě probíhající kontrakce. Přistupuje však ještě celá řada parazitních faktorů, které snižují přesnost měření. Princip metody je patrný z o'br.2.36. Jedná se o měření proměnné síly, nízkých absolutních hodnot v rozmezí O až 10 H, - 57 - llxekvencí kolísání 1 až 5 stahů za 5 minut. Je tedy měřena velmi malá síla, což -•Sř'zaduje relativně citlivý snímač, který je pak citlivý i k indikaci artefaktů. ■Sř- Obr.2.35. Tokometrieké metody snímání děložni aktivity [35] 1 - měření intraamniálního tlaku 2 - měření intrauterinálnlho tlaku 3 - transabdominélní měření intraamniálního tlaku 4 - indikace rektálního tlaku abdominální neinvazivnl tokometrie 5 - Obr. 2.36. Princip abdominální tokometrie 1 - děložni stěna 2 - tkáň břicha matky 3 '- tokokolík 4 - těleso snímače 5 - upevňovací elastický popruh ^solutng je měřena pouze frekvence děložních kontrakcí. Základní požadavky kladené ^snímač lze shrnout do několika základních bodů, které pak určuji konstrukční pro-ení, použité materiály a technologii, včetně vhodného principu : Při posuzování této metody musíme vycházet z té skutečnosti, že děloha je poměrně složitý a velmi nesourodý orgán, což je dáno především 'jeho anatomickou stavbou. Indikované síla, resp. přesnost jejího měřeni, je do značné míry závislá na umístěni snímače, dále na typu pacientky (podkožní tuk, poloha dělohy ) , na poloze plodu, atd. Přistupují i pohybové artefakty, celkem typické pro tuto metodu a v případě velmi neklidné pacientky mohou měření téměř znehodnotit. Jde tedy p relativní měření, pokud se týče amplitudy signálu, doby trvání kontrakcí, včetně tvaru kontrakce a bazálnlho tonusu. TJ íi Híí 1 - 58 59 ~ - malé rozmery a hmotnost - snadná upínatelnosat na břicho matky - vysoké stabilita parametrů a citlivost - vysoké tuhost systému. 1 Vhodným principem, který splňuje tyto základní požadavky je princip induktivní I nebo;'tenzometrický. Příklady řešení tokometrických snímaíů jsou na obr.2,37, na obr.3,38. a na obr.2.39. C 36, 76, 33, 94-] , opat je nutné dodržení podmínky linea, rizace a optimálního rozmístění tenzometrů, jak Je to analogicky řešeno pro tlakovfj snímače v kap»2.l.3. gS.............f Obr.2.39. Abdominélni tokometrický šnímaS s polovodiäovymi tenzometry [94 ] . 1 •■ tokohrot Ž - aákladjia 3 - msmbrána 4 - horní a dolní kryt anímaäe 5 - ploSný spoj 6 - kompenzační odpory 7 - křemíková tsnzometry 6 - upevňovací trn Obr,2.37» AbdoBinální tokometrický sní-mafi s fóliovými tenzometry 1 - kryt Z - tokohrot 3 - oddSlováci membrána 4 - deformační planžeta 5 - fóliový tenzometr Obr.2.36, Induktivní abdominélní tokomstricky snímač 1 - kryt 2 - nosník 3 - základna 4 - membrána 5 - tokokolík 6 - cívka 7 » posuv 8 - kolík 9 - jádro MSření svalových kontrakcí se neomezuje pouze na porodnictví, ale-uplatňuje se.taká i v jiných oborech medicíny nebo biologie, i když význam je již menší. Tyto aplikace jsou omezeny apíäe na měření výzkumného charakteru [ll3, 1153» Velmi pekným příkladem je mgření ve stomatologii, při mgření resp. indikaci reflexního pnutí žvýkacího svalu při muakulárním symptomu. Z obr.2.40. je patrný způsob maření, který je obdobný způsobu, popsanému v předchozím odstavci, tuhost žvýkacího svalu je v tomto případe úmäms velikosti vyvinuté žvýkací síly. Vlastní technická řešení snímače je provedeno buä,formou ručkového indikátoru (mechanické provedení) nebo jako mechanoelektrický převodník v miniaturním provedení. Způsob elektronického zpracování je v případech těchto specielních snímačů shodný s předchozími případy a proto je zpravidla snahou využívat stávající snímaje určená pro běžné měření a pro specielní případy stomatologie, maření na pokusných zvířatech, atd., je pouze upravovat. Obr.2.40. Indikace reflexního pnutí žvýkacího svalu [31] • 1 - žvýkací sval 2 - snímaS s tonokolíkem 3 - Selist 4 - zubořadí -Í2.2. Miniaturní snímače síly .Jedné se o vysoce specializovanou skupinu snímačů, používaných pro některé |řenl výzkumného charakteru. Tyto snímače jsou proto vyvíjeny a zhotovovány jen ;daný specielní účel a nejsou zpravidla předmStem výrobního programu, K?oto je _ 60 - tato skupina snímačů velmi variabilní co do provedení i svých vlastností. <íd« však o anímaSe zajímavého technického provedení a řadu poznatků získaných při jejich realizaci,lze výhodně uplatnit při konstrukci jiných snímačů. Charakteristicky znak, vysoká miniaturizace, vede na řeSení využívající polovodičových tenzometrú a progresivních materiálů i moderních technologií a proto i s tohoto důvodu lze tuto skupinu považovat za důležitou. Ve většině případů je měřena malá síla. Na obr.2.41. Je řeaení snímače síty na špičce katétru, které je určeno pro přímé měření kontrakSní síly v malých dutinách nebo orgánech pokusných zvířat, například extraluminální měření svalové kontraktility v oviduchu nebo ovaria, zatím u pokusných zvířat - opic. Podobný případ je možné řešit i pomocí rtuíových tanzometrftf které však nejsou použitelné v humánní medicíně. Nevhodně se zde uplatňuje toxicita rtuti, i když je oddělena. - 61 Obr. 2.41. Miniaturní snímaS síly na Špičce katétru [30] . 1 - vodič b teflonovou izolací 2 - silikonová, trubička 3 - CuBe planžeta 4 - křemíkový tenzometr 5 - výplň 6 - spoj Dalším příkladem specielního snímače síly může být snímač lokálního pnutí na myokardu, který umožňuje měření izometrického pnutí při současné elektrostimulaei, nebo snímač, který umožňuje přímé snímání kontrakcí srdečního svalu, obr.2.42. a Obr.2.43. Obr.2.42. Miniaturní snímač lokálního pnutí myokardu [29] . 1 - raménko 2 - kloub 3 - tenzometr 4 - stimulační jehla 5 - deformační raménko Obr.2.43. Snímač pro přímé měření kontrakcí srdečního svalu [3} . 1 - deformační planžeta 2 - tenzometr 3 - podložka měření hmotnosti Velmi častým případem měření síly je měření síly, kterou vyvinou kosterní ava- >, 2 2;3. Měření síly a mechanického pnuti ■ j_ například rukou, jednotlivých prstů. Tato měření jsou velmi důležitá např. ve sportovním lékařství, při rehabilitaci, v neurologii, hygieně práce, atd. Je používáno celé Skály tenzometrických snímačů, drétkových nebo fóliových, hlavně Sak s polovodičovými křemíkovými tenzometry. Podmínkou je pouze vhodné tvarování Ipebnlch prvků snímače, aby bylo možné jeho uchopení nebo stisknutí, přičemž by Éa jen minimálně narušena přirozená fyziologie. Stejné podmínky platí i tehdy, §^ii snímač na příslušný orgán například připevněn, obr.2.44. Obr.2.44. Snímač síly prstu 1 - manžeta 2 - planžeta 3 - prst 4 - křemíkový tenzometr 5 - deformační nosník 6 - kablík 7 - upínací pás eformační podložku, na které je připevněn tenzometr, je nutné vhodně dimenzovat., t!*by bylo dosaženo lineární závislosti výstupního napětí snímače pro rozsah sil od 3Q0 až do 2 000 K. Většinou se jedná o ryze statická měření nebo měření jen pomalu 8» měnících sil. IgPojein měření síly je často rozšiřován o měření hmotnosti, kdy je využíváno Newtonova zákona, je pak měřena síla, kterou vyvine příslušné hmotnost, kterou měříme. - 62 - - 53 - I í' lil Hěření hmotnosti mé značný význam na dialyzačních. jednotkách, kde je nutné monltorô. vání změny hmotnosti ležících pacientů. Významné je rovněž měření hmotnosti intra-venózních roztoků nebo výdeje tekutin (například moči ) . Provedení snímačů Je na obr.2.45., snímače jsou připevňovány na infúzaí tyče nebo přímo na postel. Jedné se o tzv. závěsné typy snímačů hmotnosti. Snímač pro měření hmotnosti vzorků, preparátů nebo pokusných zvířat je na obr.4.15. Snímače jsou zpravidla osazeny křemíkovými nebo fóliovými tenzometry. Obr.2.45. Závěsná tenzometrické snímače hmotnosti 1 - závěs 2 - deformační nosník 3 - proudový napájecí zdroj 4 - tenzometr 5 - kryt 6 - kompenzační odpor 7 - průchodka výstupního kabelu Dalším případem měření nebo indikace hmotnosti je tzv. ekvilibrační měření. I v tomto případě se jedné o měření síly, která odpovídá vychýlení pacienta z rovnovážné polohy. Základní vzpřímený postoj Je v tomto případě indikován Jako nulová poloha. Vychýlení pacienta z rovnovážné polohy je indikováno pomocí čtyř snímačů síly, Jak je patrné z obr.2.46. ' 8 - Balěím případem může být indikace a měření parametrů silových projevů žvýkací-iypgpéta ve stomatologii, například měření žvýkací síly. Může se Jednat o měření řjiwtólním nebo premolérním úseku zubořadí nebo jeho protetické náhrady. Jda o _ fini poněrně velikých sil, až do 5 kM. Důležité je, aby snímač byl dimenzován f" áby Jan 11610 narušoval fyziologii žvýkání, je tedy nutné, aby tlouätka eníma-•if místě skusu byla v rozmezí 7 až 17 mm. Navíc musí snímač umožňovat bezpečné ÉtiMUtí, ani* by došlo k poäkození chrupu. Éřoní je prakticky výhradně používáno tenzometrických snímačů s foliovými nebo Otovými tenzometry. Provedení snímače pro molérní usek zubořadí s foliovým Wr,íon**rem Je na obr.2.47. a snímač a křemíkovými tenzometry pro frontální usek äftofadí Je na obr.2.48. Je možné 1 takové provedení snímače žvýkací síly, které využívá k měření piezokeramlckého měniče. Výrazná miniaturizace křemíkových tenzometrů umožňuj a realizovat snímáni síly pomocí snímače, který Je umístěn přímo do zubu, obr.2.49. Pro potřeby zvláštní diagnózy nebo pro výzkumné účely je často potřeba miřlt dalSí mechanické parametry, ktoré souvisí s fyziologií žvýkání. Může se opět jednat o přímé měření, například 'obr.2.47. Snímač žvýkací síly [76] . měření síly vyvinuté rty, lícními sva- 1 - deformační nosník ly nebo jazykem na zubořadí, princip 2 - tenzometr 3 - deska měření a praktické provedení snímače 4 - kabel 5 - kolík s tenzometry ja na obr.2.50. Obr.2.46. Princip ekvilibrační desky [ 38 ] 1 - základní deska 2 - snímač síly 3 - pacient Obr.2.48. Snímač žvýkací síly s křemíkovými tenzometry 1 - deformační nosník 2 - tenzometr 3 - základna 4 - skuaové nadstavce 5 - silikonová pryž Obr. 2.49. Miniaturní snímač žvýkací síly [28] 1 - deformační podložka 2 - zub 3 - těleso snímače 4 - křemíkový tenzometr 5 - vodiče Obr. 2.50. Měření síly ve stomatologii [77] . 1 - zubořadí 2 - deformační podložka 3 - tenzometr 4 - vodiče 5 - tmel Méně častým případem je snímání mechanického pnutí přímo z kůže pacienta. Zde je však nutné počítat s výrazným zkreslením, které je dono přenosem síly přes kůži pacienta, promítají se zde výrazně anatomické odlišnosti. Navíc bude měření tohoto typu silně závislé.na kvalitě lepení tenzometřu na kůži pacienta. Zde platí omezení vyplívající z nutnosti použít lepidel, které tolik nedráždí pokožku a pak je zpravidla reprodukovatelnost výsledků nanejvýš problematická. Uplatní se i příprava povrchu pokožky (mastnota) a pak lze naměřit značné rozdíly v prokluzu tenzometřu. Značná neurčitost v adhezi na biologickou tkáň a její malá trvanlivost vedou k závěru, že se jedná spíše o indikaci. Princip měření je na obr.2.51. ■Si mm ■ ■ Obr.2.51. Měření pnutí na kůži Velmi často je nutné posoudit rozložení mechanického pnutí v biologické tkáni. Je výhodné a v některých případech i nutné, provézt toto měření na modelech a to zvláště tam, kdy takovéto měření realizovat na živém organizmu není prakticky možné. Takovým případem je například hodnocení rozložení mechanického pnutí ye velkých kostech nebo kloubových uloženích. Tato měření jsou velmi důležité především z hlediska návrhu a ověření protetických náhrad, stanovení jejich opotřebeni, atd. Experimentálně může být posuzována napjatost mechanicky zatížených vzorků kostí opatřených vhodnými tenzometry. mi Ušil í Při měření mechanické napjatosti a rozložení mechanického pnutí je s výhodou 'používáno modelových zkoušek, nejčastěji fotoelastlcimetrie. Tímto způsobem je .zkoumáno rozložení mechanického pnutí v kyčelních nebo i jiných kloubech, na modelech chrupu. Významně se zde v posledních letech uplatňuje i holografie. ■Princip fotoelasticimetrické metody htdnocení rozložení mechanického pnutí v kyčelním kloubu je na obr. 2.52. pro uspořádání izochromat platí : ^ ' S- e ( -