_ 90 - Dalším, již méně často používaným způsobem, je miniaturní kontaktní spínač, který využívá objemové změny hrudníku při nadechnutí a vydechnutí. Pás obepínající hrudník je spojen s kontakty mikrospínače a při nadechnutí, dojde ke zvětšení objemu hrudníku, je kontakt rozepnut. Při vydechnutí se opet kontakt sepne. Tato metoda však není příliš spolehlivé a jen obtížně se hledá vhodný pracovní bod snímače, dany momentální vitélností pacienta, které se může rychle měnit a tím i vyřadit snímač z funkce. „ Obr.4.14. Respirotachometrický snímač s termistorem 1 - perličkový termistor 2 - čepička 3 - epoxid plněný korundovou keramikou 4 - kabel 5 - platinové drátky Dechové frekvence je také snímána měřením impedance kůže mezi dvěma elektrodami, které jsou na vhodném místě připevněny na hrudník. Při nadechnutí a vydechnutí se mění naplnění plícních sklípků vzduchem, což ovlivňuje celkovou impedanci hrudníku, která je měřena. Měřící proud věak musí být dostatečně malý, aby nerušil snímání ekg nebo emg. Malý měřící proud také zaručuje, že nedojde k dráždění okolní tkáně. Metoda je velmi účinné a jednoduché, nevyžaduje žádné specielní snímače. Jako elektrody mohou sloužit elektrody používané k monitorování ekg. i Obr.4.15. Zévislost mezi změnou impedance během respiračního cyklu a umístěním elektrod na lidském těle [1] . Tato metoda vychází z empiricky zjištěné závislosti změny impedance hrudníku a jeho objemové změny během respiračního cyklu. Měření impedance se provádí proudem o frekvenci 50 až £00 kHz. Změna AZ/ AV je silně závislé jak na použité frekvenci, viz kap.l. a také na lokalizaci elektrod. Vhodné umístění elektrod je tedy nutným před*- 91 pokladem dosažení dobrých výsledků, obr.4.15. Obdobné závislosti lze podle potřeby určit i pro pokusné zvířata, jedné se o danční měření podobného charakteru. impe- 5. Měření teploty a termografie Měření teploty a její sledování, bylo prakticky jedním z prvních měření prováděných v medicíně. Na základě těchto měření byla stanovovaná diagnóza a postup léčebného procesu. Svůj význam měření teploty neztratilo a je stéle velmi cenným läda-jem, zvláště je-li možné elektronickým způsobem* Důležitá je možnost kontinuálního sledování, které získává charakter monitorování. Elektronika umožňuje sledování plošného rozložení teplot a tím i zvýšení diagnostické hodnoty získaných údajů. 5.1. Měření teploty Měření teploty je založeno na poznatku, že některé materiály nebo kombinace různých materiálů, mění reprodukovatelným způsobem svoje vlastnosti v závislosti na teplotě. V řadě případů se jedné o parazitní jev a vznikají spíše starosti s jeho odstraněním nebo kompenzací. Tento problém byl například popsán u Snímačů tlaku nebo snímání elektrického signálu, např. ekg. Je třeba volit takový princip měření teploty, který zaručuje dobrou linearita výstupního signálu, malou časovou konstantu, možnost miniaturizovat rozměry a hmotnost snímače, stabilní vlastnosti v Čase. Základním předpokladem je i dostatečná citlivost. Pro měření teploty v medicíně jsou opět vhodné jen některé principy, jsou to prakticky pouze tyto fyzikální jevy : - termoelektrický - teplotní závislost od porta termistoru , : .•, - změna odporu kovů a jejich kysličníků - změna odporu polovodičů. Výhodou termoelektrického článku je především malé časová konstanta, dobré linear!-, ta a vynikající časové stabilita a to do vysokých teplot. V omezeném teplotním rozsahu je možné docílit velmi dobré linearity, což přímo vyplývá ze vztahu pro napétí termoelektrického článku : E a ♦ b(*l *2) + e (*1 - t2) kde E - termoelektrické napětí článku tj- teplota studeného spoje tg- teplota v místě měření a, b, c - konstanty závislé na použité kombinaci materiálů Za předpokladu malého teplotního rozsahu, což je případ v medicíně typický, Je možné kubický člen zanedbat a dostáváme lineární vztah. Jisté nepřesnost měření může vzniknout z problému udržet konstantní teplotu studeného spoje. Nejvhodnějěí kombinace jsou : Pt 1055 Rh - Pt, Cu - konstahtant, Crlíi - Ni nebo CrNi - konstantant. Konstrukční řešení snímače se prakticky omezuje na vhodné pouzůření;které musí být vodotěsné, odolné proti korozi. Příklad řešení takového snímače.teploty je na obr.5.1. ■' ■ - 92 - - 93 - Obr. 5.1. Termoelektrický snímač teploty 1 - termočlánek 2 - kabel 3 - pouzdro snímače 4 - epoxid plněný korundovou keramikou U termistoru je využito negativní teplotní závislosti odporu, asi 2 %/ °C, poměrně malých rozměrů á dostatečně malé časové konstanty, zvláště Jedné-li se o perličkové provedení. Značnou nevýhodou termistoru Je výrazně nelineární charakteristika teplotní závislosti odporu, kterou je nutné dosti pracně linearizovat kus od kusu a to i pro poměrně úzký teplotní rozsah. Nepříznivě se uplatňuje i stárnutí základních parametrů. I tyto nevhodné vlastnosti však nebrání jeho častému používání a to i na úkor jiných principů. Je to dáno především jeho dostupností a nízkou cenou. Pro změnu odporu termistoru platí vztah : kde t, t A, . R R = A e ■ odpor termistoru ■ teplota ■ konstanty typické pro daný typ termistoru Obr.5.2. Termistorový snímač teploty, implantabilní provedení s perličkovým termistorem 1 - termistor 2 - vodiče $ - pouzdro 4 - výplň 5 - izolace Konstrukce termistorových teploměrů je opět velmi jednoduché a srovnatelné s konstrukcí předchozích typů teploměrných snímačů, obr.5.2. Odporové teploměry patří mezi nejpřesnější. Vynikají především dobrou linearitou, která při omezeném rozsahu měření v medicíně, + 20°C až + 40°C, vyhovuje těm nejpřlsnějšlm požadavkům. Nevýhodou je malé citlivost, která je dána malou změnou odporu v závislosti na teplotě, pro platinový odporový článek o odporu 100a , Je to asi 0,4íl/°C. Výhodou jsou velmi stabilní vlastnosti. Pro změnu odporu platí : R = HQ ( a At + b a t2 + c a t3 kde Ro At R - odpor článku počáteční odpor článku při teplotě 25°C změna teploty a, b, c - konstanty závislé na typu materiálu Pro většinu medicínských aplikaci můžeme s ohledem na úzký rozsah měřených teplot zanedbat kvadratický i kubický člen a teplotní charakteristika pak má lineární průběh. Konstrukce odporových snímačů je obdobou předchozích typů na obr^5.1. a na obr.5.2. Pro případ polovodičových teploměrných odporových prvků platí výše uvedený vztah s tím, že citlivost Je vyšší, kolem 0,8 až 0,95 %/°C, podle typu použitého materiálu. Nejvýhodnějáía materiálem je křemík typu p s vodivostí 0,015 až 0,070 Ä cm, při krystalografické orientaci [lOO]a u typu n je to vodivost okolo 0,20ilca a orientace [111] . Výhodou tohoto typu snímače teploty je dobrá linearita, vysoká citlivost měření, malá časová konstanta, možnost miniaturizace, obr.5.3. Obr.5.3. Odporový snímač teploty s křemíkovým prvkem 1 - křemíkový odpor 2 - plést 3 - kryt 4 - vodiče 5 - epoxid s plnidlem Obr.5.4. Tranzistorový snímač teploty pro měření povrchová teploty ■■ ■ 1 - kryt tranzistoru 2 - křemíkové destička 3 - keramická základna 4 - vodiče 5 - těleso animace plast Velmi často je využíváno teplotní závislosti některého p-n přechodu běžných 94 - - 95 li polovodičových souäástek, například diod nebo tranzistorů, které lze pro měření teplot použít jen s minimálními úpravami. Nevýhodou je poněkud vyšší časové konstanta. Konstrukční provedení snímače s tranzistorem je na obr.5.4. 5.2. Termografie Termografie je bezkontaktní metoda zobrazení plošného rozložení povrchové teploty organizmu, nebo teploty blízko pod povrchem těla. Metoda je založena na skutečnosti, že všechny předměty, které mají teplotu vyšší než absolutní nula, jsou zdrojem záření. To platí i pro lidské tělo nebo tělo zvířat, která jaou zdrojem infračerveného záření. Se změnou teploty povrchu těla se mění také emise infračerveného záření. Termografie umožňuje zobrazení těchto změn emise infračerveného záření, emitovaného povrchem živého organizmu. Termografie v lékařství vychází z osvědčených typů průmyslových termokamer, v podstatě bez úprav, má pouze odlišné kritéria hodnocení získaných výsledků a poněkud odlišnou metodiku měření. V moderní medicíně je termografie využívána pro zobrazení povrchové teploty lidského těla nebo pokusných zvířat, resp. teplotních změn, které odpovídají změnám jeho stavu, patologickým změnám v důsledku onemocnění, intenzitě probíhajícího metabolismu, atd. Pro zdravý organizmus je charakteristické jisté rozložení teplot, typické pro ustálený stav organizmu. Přesto se může toto rozložení poněkud měnit, aniž by se jednalo o patologické změny. Uvedenou metodou lze velmi dobře hodnotit teplotní plošné změny, rozliäovací schopnost je okolo 0,1 °C. V závislosti na změně teploty povrchu těla nebo teploty těsně pod jeho povrchem, se mění i emise infračerveného zéření, které leží v rozsahu vlnových délek 3 až 15 pm. Důležitý je poznatek, že již od vlnové délky 3 (L.m lze lidskou kůži považovat za černé těleso,, protože emisivita lidské kůže je pro tento rozsah vlnových délek v rozmezí 0,98 až 1,0 a to bez závislosti na barvě kůže. Tato skutečnost je dobře zřejmá i z obr.5.5. To však platí pouze pro čistou pokožku, zbavenou povrchové vrstvy tuku, nečistot a potu. Při posuzování termogramu je třeba mít na zřeteli, že přizpůsobivost organizmu změněným podmínkám (změna teploty v místnosti ) má za následek změny v rozloženi teplot. Proto je nutné měřit v dokonale temperované místnosti (18 až 20°C ) , dále je nutné zamezit případným odrazům infračerveného zéření, vyloučit přítomnost parazitních zdrojů infračerveného záření. Je žádoucí organizmus dokonale "stabilizovat" v laboratorních podmínkách, měření provádět ve standardní poloze, atd. Pro povrch lidské kůže platí stejně jako pro jiné předměty, které mají teplotu vyšší než absolutní nula Plankův vyzařovací zákon ! Pro konstanty a-^ a c^ platí následující vztahy W = 1 kde : J\ - vlnová délka k - Boltzmanova konstanta h - Plaňková konstanta T - teplota VAT ' c - rychlost světla e1, Cg- konstanty c, = 21T h c2 = 3, 74 . Id"16 [Wm2] he c, =- = 1, 438 * k 10"2 [mK ] Obr.5.5. Emisivita lidské kůže v závislosti na vlnové délce f 61] . Jak již bylo řečeno, je rozložení teploty, některé části organizmu mají výrazně nižší nebo také vyšší teplotu oproti ostatním, charakteristické pro normální zdravý organizmus, obr.5.6. Jednotlivé příčiny, které mohou vyvolat patologickou změnu povrchové teploty kůže jsou velmi různorodé. Hlavní obory medicíny, ve kterých; se termovize uplatnila jako diagnostická metoda jsou : plastické chirurgie anginologie (ucpávky cév) -traumatológie! dermatologie (záněty kůže) onkológie (nádory ) farmakologie (účinky léků) . K tomuto výčtu může přistoupit Ještě řada dalších obqrů, jako je neurochirurgie, endokrinológie, kardiológie, gynekologie,, atd. 'max 'mm ] stehno -"kotník j chodidlo pravá leva pravá leva ■ '■i—lil—i_i—i_■ ■ ■ • ■ ■ ' ■ ■ ■ ■ 40 3 0 20 3 0 40 40 3D 20 30 40 m Obr.5.6. Rozložení teploty na povrchu lidské dolní končetiny [61 ] - střední teplota------- hranice přípustné normy ( nepatologické změna teploty) Základní požadavky na termovizní kameru vyplývají z požadavku registrace teplotního rozsahu 15 až 47°C, i když okrajové teploty nejsou zpravidla plně využívány. Detektor infračerveného záření musí pracovat v rozsahu 3 až 15 ^n.m. Jako detektorů infračerveného záření je nejčastěji používáno PbTe, InSb, CdHgTe, PbSnTe dete- - 96 - - 97 - ktorú, v poslední době se uplatňují i pyroelektrické detektory (IGS krystal) .Tyto detektory jsou dostatečně rychlé a mají širokou spektrální citlivost. Všechny detektory termovizních kamer je nutné chladit kapalným dusíkem. Z pohledu zobrazování dlouhovlného infraíerveného záření Je nutné použití speelel -nich materiálů pro optiku kamery. Základními materiály pro výrobu objektivů a dal-äích íéstí optického systému jsou monokrystal germania typu n (2 až 23 ^m) monokrystal křemíku typu n a p ( 1,5 až 15 jU-m) a safír ( 0,17 až 6 ^m) . Podobné údaje platí i pro polykrystalický křemík a germánium. Používána je celé řada dalších materiálů. Základním materiálem je vSak křemík a germánium, obr.5.7. a obr.5.8. Tt%l 50 30 10 Si r 5 10 50 100 300 A c n m 3 Obr.5.7. Propustnost polykrystalické destičky křemíku fl23l Mi Obr.5.8. Propustnost polykrystalické destifiky germania [123] Rozklad obrazu je provádSn převážné mechanicko - opticky, pomocí výkyvných nebo rotujících zrcadel a hranolů. Méně často je používáno elektronického rozkladu nebo- elektromechanického rozkladu. Posledně jmenované rozklady jsou vázány na technologii detektorů mozaikového typu, které nejsou ještě natolik rozšířené. Principielní schémata termovizních kamer jsou na obr.5.9., obr.5.10. a na obr.5.11. Obr.5.9. Principielní schéma termovizní kamery AGA 680 £61] 1 - objektiv 2 - vertikální rozklad 3 - horizontální rozklad 4 - fioěky 5 - filtr 6 - modulátor 7 - detektor chlazený kapalným dusíkem Obr. 5, 10. Principielní schéma termovizní kamery [6l] 1 - vertikální rozklad 2 - zobrazovací zrcadlo 3 - horizontální rozklad 4 - odrazný hranol 5 - detektor chlazený dusíkem 98 99 Obr.5.11. Principielní schéma termokamery Kubín [58] 1 - zrcadlo horizontálního a vertikálního rozkladu 2 - objektiv 3 - hledáček 4 - modulátor 5 - detektor chlazený duíkem 6. Analýza vnitřního prostředí organizmu Tato oblast lékařské techniky, která bývá zahrnována pod pojem elektrochMtíc-ká analýza a chemické analýza vnitřního prostředí sledovaného organizmu nebo Je'také označována jako biochemie. Tento hraniční obor slučuje poznatky chemie, biochemie, fyziky a elektroniky. Důležité při tom je, že snaha techniky a potřeby medicíny Je vedena k_, zavedení metod rychlé analýzy, aí se Jedná o analýzu krve a jiných nitrotSlních tekutin, dialyzačních roztoků nebo analýzu respiračních plynů. Tento požadavek a nakonec i poslední technické provedení přístrojů tohoto typu dalece překročily rámec laboratorních metod vyaetření. V podstatě již vytvořily špecifickou oblast techniky, které umožňuje biochemické vyšetření, které má charakter dlouhodobého měření - monitorovaní. Jde o kontinuální sledování dynamických změn příslušných veličin přímo v organizmu nebo jeho bezprostřední blízkosti. T této kapitole jsou záměrně pominuty klasické metody laboratorní biochemie a pozornost je věnována metodám rychlé kontinuelní analýzy. 6.1. Analýza respiračních plynů Analýza respiračních plynů představuje měření, jehož diagnostické hodnota spočívá předevaím v krátkodobé i dlouhodobé možnosti sledovat správnou funkci krevního oběhu, plio, ventilace a také funkci přístroje pro celkovou anestezi. Uplatnění můžeme tedy hledat v anesteziologii, na resuscitačních odděleních, ve sportovním lékařství, na jednotkách intenzivní péče, atd. Je analyzována celá řada p]ynů, které přímo souvisí s fyziologickými pochody v organizmu, tedy kyslík nebo kysličník uhličitý, charakterizující funkci plic, ventilaci a krevní oběh. Pro diagnózu otrav Je nutné analyzovat kysličník uhelnatý nebo při měřeních diagnostického charakteru hapř. hélium. ■.' '■ 6.1.1. Infračervené analyzátory CO,,. CO a anestetík . . Do této skupiny analyzátorů patři ty přístroje, které využívají ke stanovení obsahu plynu některého absorbčního pásu v infračervené oblasti. Sem patří předevaím kysličník uhličitý C02, déle kysličník uhelnatý CO a potom celé řada anestetik, například rajský plyn NgO, éter, halothan, fluothan, cyklopropan, atd. Analyzátory tohoto typu pracují ve většině případů na principu dvoukanálových, srovnávacích přístrojů. Jsou porovnávány referenční a měrný svazek infračerveného záření, z nichž jeden je energeticky modulován chemickým složením respiračních plynů. Jako detektoru infračerveného záření je použito, pneumatického selektivního kapacitního detektoru infračervaného záření, který je selektivní v oblasti absorbčního pásu analyzovaného plynu ( jedná se v podstatě o modifikaci Golayova pneumatického detektoru infračerveného záření ) . Základní principielní schéma dvoukanálového infračerveného analyzátoru respiračních plynů je uvedeno na obr.6.1. ' Obr. 6.1, Princip infračerveného analyzátoru respiračních plynů [74l 1 ■— stabilizovaný zdroj 2 - čerpadlo 3 - magnetické Clona 4 - zdroj infračerveného záření 5 - elektrický motorek 6 - modulátor 7 - měrné kyvéta 8 - referenční kyveta . 9 - okénko 10 - membrána 11 - elektroda 12 - zesilovač 13 - ručkový indikátor 14 - napájecí zdroj