Оптические методы регистрации

Стремление исследователей построить прибор возможно свободный от инерции заставило отказаться от употребления материальных рычагов постольку, поскольку технически это являлось осуществимо. Как было уже упомянуто, и первых приборах этого рода осталось только короткое плечо рычага; роль длинного плеча влил на себя световой луч, отражаемый маленьким зеркальцем, укрепленным на коротком плече. Световое пятно, отражаемое зеркальцем, проектируется на движущуюся полосу светочувствительной бумаги и оставляет на последней след своего движения, подобно обычному пишущему рычагу. Такое приспособление дало возможность свести до минимума массу движущихся частей регистрирующего прибора и значительно повысить его угловое увеличение.

Наибольшее распространение световой метод получил и топографии. Применение его к сфигмографии также дало возможность с несомненностью установить как на артериальной, так и на венозной пульсовой кривой наличие целого ряда имеющих важное значение добавочных волн, которые ускользали при пользовании рычаговыми сфигмографами.

Прибор Frank'а является первым рациональным и практически удобоприменимым аппаратом, построенным для записи пульса у человека. В стремлении уменьшить массу движущихся частей были сделаны попытки укрепления маленького зеркальца непосредственно на пульсирующем сосуде. Движения отраженного этим зеркальцем светового луча регистрировались фотографическим путем. Производились также кинематографические съемки укрепленного на пульсирующем сосуде маленьюго кусочка белой бумаги. Однако эти попытки имеют более теоретический интерес, так как применение их на практике встречает большие технические затруднения. Способ кинематографической съемки кроме того не дает непрерывности изображения движущейся точки, потому что кинематографические снимки производятся через известные промежутки времени; поэтому некоторые фазы движения точки могут ускользать от регистрации.

В первом приборе Frank'а колебания тонкой мембраны передавались небольшому зеркальцу, укрепленному на легкой подвижной оси. Стремясь еще более уменьшить массу движущихся частей, Франк уничтожил ось, укрепив зеркальце непосредственно на мембране. Чтобы придать зеркальцу устойчивость в смысле невозможности совершать боковые колебания, окружность мембраны срезана в одном месте по хорде (см. рис. 10). На мембранум наклеена трапецевидная пластина р так, что большое основание трапеции приходится во всю длину хорды, а малое приходится на центр мембраны. На пластинку наклеено круглое зеркальце S так, чтобы оно занимало средину большого основания трапеции и последнее пересекало зеркальце по диаметру. При такой установке зеркальце совершает колебания в плоскости, перпендикулярной к плоскости мембраны и проходящей через центр круга и середину хорды. Осью вращения трапецевидной пластинки, resp. зеркала, служит линия среза. Диаметр мембраны равен 8 мм. Воспринимающей частью прибора может служить любая из воспринимающих воронок. На рис. 11 представлена схематически общая установка приборов.

Рис. 10

На массивном основании Р подвижно укреплены штативы, могущие смещаться вдоль доски основания. Штатив 1 несет лампочку Нериста 1 в 25-40 свечей; штатив 2 песет конденсатор или хорошо корригированный объектив О. Конденсатор служит для собирания лучей света от лампочки на зеркале капсулы S. Штатив 3 несет капсулу. Отраженный от зеркальца пучок световых лучей должен попасть в щель фотографического кимографа к, где должно получиться резкое изображение светящегося уголька лампочки Периста. Ось вращения зеркала должна быть установлена точно перпендикулярно к направлению щели кимографа. При этом только условии движения светового пятна будут происходить вдоль щели. При фокусном расстоянии объектива в 35-40 сантиметров расстояние от зеркала до капсулы не должно превышать 1¹/₂ м. Резкость изображений достигается взаимным сближением или раздвиганием штативов 1, 2, 3. При установке перед самой щелью кимографа помещают небольшой кусок белой бумаги, на которой и стараются получить возможно более отчетливое и яркое изображение уголька лампочки. Вследствие небольшой хроматической аберрации изображение всегда немного окрашено в тот или другой цвет; предпочтительнее, чтобы окраска изображения была немного желтоватой. Штатив, несущий капсулу, снабжен винтами, дающими возможность перемещать и поворачивать ее во всех направлениях и облегчающих придание отраженному зеркальцем лучу нужного направления.

Рис. 11

Чтобы избежать резких воздушных толчков, происходящих при установке воспринимающей воронки и могущих повредить мембрану Франковской капсулы, соединительная трубка имеет боковое ответвление, которое во время установки воспринимающей воронки должно быть открыто.

Описание устройств различных систем фотографических кимографов я считаю более удобным отнести к отделу электрокардиографии.

Рис. 12

Как пи мала масса движущихся частей капсулы Frank'а, прибор все же не лишен инерции. Frank дает следующие цифры, выражающие в абсолютной величине инертность зеркальных систем при толщине стеклянного посеребренного зеркала в 0,2 мм.

Диаметр зеркала	Момент инерции
0,2 см	4,7 10-6
0,3 см	23,9 10-6
0,4 см	75,4 10-6
0,5 см	184,0 10-6
1,0 см	2910,0 10-6

Из приводимой таблицы видно, как вредно отзывается сравнительно уже небольшое увеличение массы зеркальца на инертности прибора. Так, увеличение диаметра зеркальца всего в 5 раз увеличивает инертность системы более чем и 700 раз.

Период собственных колебаний для прибора Франка равен ¹/₁₈₆ секунды.

Tiegerstedt, исходя из соображений Франка, видоизменил его капсулу, заменив зеркальце тонкой посеребренной стеклянной нитью f; конец последней несколько выдается за срезанный конец капсулы и помещается перед объективом ппоекиионного микроскопа М таким образом, чтобы движения его происходили в плоскости зрения последнего (см. рис. 12). Тень стеклянного стерженька проектируется на щель фотографического кимографа, и движения его производятся по способу, принятому для регистрации тени струны в струимом гальванометре Eint'iovona (см. главу «Электрокардиография). Это видоизменение дало возможность довести период собственных колебаний прибора до 1/360 секунды.

Рис. 13

Недостатком прибора Франка является не совсем правильные движения зеркальца вследствие отсутствия прочно фиксированней оси вращения. Несмотря на срезанный край капсулы, служащий осью вращения, зеркало может производить небольшие боковые колебания. Зависит это от того, что при движении мембрана в области среза образует все-таки не плоскую, а слегка цилиндрически выпуклую поверхность, благодаря чему пластинка, несущая зеркальце, не только поворачивается вокруг линии, образующей срезанную часть окружности мембраны, но и несколько приподымается над поверхностью последней. Это создаст возможность качательных движений в плоскости, перпендикулярной нормальной плоскости движений зеркала.

В приборе Ohm'а круглая капсула затянута тонкой резиновой мембраной М (см. рис. 13). В центр мембраны упирается легкий тонкий рычажок h, согнутый под прямым углом. В месте сгиба он укреплен на легкой оси о, направленной перпендикулярно к плоскости изгиба рычажка. Свободный конец последнего несет маленькое зеркальце s. Ось вращается в неподвижных подставках d, точках а и Ь. Общая схема установки и оптическая часть ничем существенно не отличается от таковых в аппарате Франка.

Франк подверг жестокой критике методику Ohm'a. Это тем более естественно, что прибор в сущности мало чем отличается от первоначальных модификаций прибора Франка, от которых этот автор отказался в виду их несовершенства. Несомненно, что прибор Франка, предложенный почти на 7 лет ранее аппарата Ома (1907 г.), значительно чувствительнее и точнее последнего. Это следует уже из того, что одна и та же капсула Франка может воспринимать и воспроизводить не только механические движения сосудистых стенок, но и звуковые колебания. Ому для регистрации звуковых колебаний пришлось построить другой прибор, так как его капсула оказалась невосприимчивой к звуку.

В физиологической технике имеют довольно широкое применение регистрирующие приборы, где взамен эластической мембраны в качестве передающей движение части служит поршень. Эти так называемые поршневые системы имеют то преимущество, что в них отсутствует вредный момент — эластические свойства мембраны. На этом принципе основан сфигмограф, предложенный автором. Единственной движущейся частью прибора является небольшая капля жидкости, заключенная в узкой стеклянной трубке. Она-то и играет роль поршня, движущегося вдоль просвета трубки под влиянием толчков от кровеносного сосуда, передаваемых воздушным путем. Выгодность применения такого жидкого поршня обусловливается некоторыми особенностями движения жидкости по трубкам. Апериодизации системы способствует трение. Рычаговая, сильно заторможенная система не способна сразу выходить из состояния покоя и достигать максимальной скорости. В зависимости от степени заторможенности проходит более или менее значительный промежуток времени от момента получения толчка до начала максимальной скорости движения — кривая имеет не внезапный, а постепенный подъем. Трение жидкости — торможение — возрастает по мере увеличения скорости ее движения в трубке. В момент начала движения трение практически близко 0 и достигает максимума в момент достижения максимальной скорости. Условия таким образом складываются очень благоприятно: вначале в виду чрезвычайно малой массы капли, образующей поршень, необходима очень незначительная сила, чтобы вывести каплю из состояния покоя п сообщить ей максимальную для данного случая скорость; в конце движения система, наоборот, уже достаточно заторможена и таким образом налицо все условия для внезапной остановки капли при прекращении действующей на нее силы. Следовательно такую систему нужно считать свободной от инерции и обладающей большой степенью чувствительности. Но, с другой стороны, в виду увеличения заторможенности по мере увеличения скорости движения, которая в разбираемых условиях стоит в непосредственной связи с числом движений, производимых каплей в единицу времени, нужно думать, что с увеличением числа толчков в единицу времени воспринимающая и воспроизводящая способность прибора должна падать. Для взятых мною соотношения частей и вязкости применяемой жидкости для приведения капли в движение со скоростью 200 колебаний в секунду нужна сила раз в 10 меньшая сил, обычно действующих в сосудистом русле. (В данном случае нужно строго различать число собственных колебаний прибора, о котором говорилось на предыдущих страницах, от числа возможных для данной апериодической системы).

Основной частью прибора является капиллярная трубка, к обеим концам которой под прямым углом припаяны две более широкие стеклянные трубки. Последние открыты у своих свободных концов; внутри капилляра помещена капля ксилола. Если одно из боковых колен соединить посредством резиновой трубки с воспринимающей воронкой, укрепленной на кровеносном сосуде, то капля придет в движение.

Рис. 14

Чтобы зарегистрировать движения капли, единственным возможным и вместе с тем рациональным является оптический метод. В аналогичных приборах, где применяется этот метод, как, например, в капиллярном электрометре Липмана, задача упрощается тем, что приходится регистрировать движения непрозрачного столбика ртути. Вначале я тоже пытался воспользоваться движением какого-либо непрозрачного пли окрашенного вещества; однако оказалось, что при быстрых движениях часть жидкости остается на стенках трубки, что делало невозможным образование отчетливого изображения капли на экране. Задачу удалось решить следующим образом: если взять трубку с плоско-параллельными наружными стенками и пропустить через нее пучок световых лучей, то последние, проходя через просвет трубки, претерпят преломление, как в двояковогнутой цилиндрической чечевице. Если по другую сторону капилляра будет установлена диафрагма (см. рис. 14а) в виде узкой щели, расположенной вдоль просвета капилляра таким образом, что одна половинка диафрагмы будет прикрывать просвет больше, чем на половину его внутреннего пространства,а другая — совпадать с внутренним краем просвета, то почт вся масса светового луча будет задержана диафрагмой. Если в капилляре будет находиться жидкость с Гюдыиим коэффициентом преломления, то условия для светорассеяния исчезнут, и часть светового пучка пройдет через щель диафрагмы (с.м. рис. 14в). При оптической проекции щели на экран на последнем вырисуется едва заметная полоска, прерываемая в одном месте яркой черточкой, соответствующей мелу положения капли в капилляре. При достаточной силе источника света движения капли могут быть легко зарегистрированы на обыкновенной бромосеребряной бумаге в виде темной линии на светлом фоне.

Рис. 15

В окончательном виде прибор состоит из небольшой металлической дощечки А (см. рис. 15), в средней части которой имеется узкая щель s. Против этой щели укреплена капиллярная часть трубки. По другую сторону капилляра установлена диафрагма dd₁, одна половина которой d делается подвижной так, что щель, образуемая ею, может быть но мере надобности или несколько сужена или расширена. Две или несколько таких систем могут укрепляться на одной общей доске, которая вставляется в обыкновенный проекционный фонарь. Отдельные изображения каждого капилляра отбрасываются на подвижные зеркала, изменяя углы наклонения которых, можно легко вес изображения свести в одну щель фотографического кимографа. Установка капилляра в горизонтальном или в вертикальном направлении на работе прибора не отзывается. При наложении воспринимающих воронок приходится прибегать к некоторым предосторожностям. Соединительная трубка снабжена боковым ответвлением, соединенным с трехходовым краном (см. рис. 16). При наложении воронки внутренность трубки остается соединенной с наружным воздухом через отверстие с; в таком случае неизбежные, случайные толчки не передаются капле. Когда воронка наложена поворотом крана прибор разобщается от наружного воздуха и приводится в сообщение с внутренностью небольшой резиновой капсулы d. Над капсулой помещен пинт к, вращением которого капсула может быть более или менее сдавлена. Это дает возможность передвигать каплю в более удобное для проекции место капилляра.

Рис. 16

Перед употреблением в прибор необходимо поместить каплю ксилола. Последняя держится, заметно не испаряясь, в течение многих часов. Если почему-либо ксилола налито слишком много и длина столбика его превышает 2-3 мм., то избыток жидкости удаляют опусканием в трубку нитки, обмотанной тонкой проволокой.

Как было упомянуто выше, прибор лишен инерции; сопротивление, которое представляет капля, также омет, ничтожно. Недостатком аппарата является необходимость пользоваться сравнительно сильным источником света и 1000 - 1500 свечей. Установка и пуск в ход прибора в виду его чувствительности требуют известного навыка и не сразу удаются. Кроме того исследуемый субъект должен сохранять полный покой во время съемки, так как малейшие его движения, а равно и качания соединительных трубок отзываются на движении капли, что, однако, имеет место и при других чувствительных световых методах сфигмографии.

В дальнейшем еще но раз придется встречаться с фотографическим методом регистрации; в общих чертах он одинаков при самых разнообразных приборах, поэтому я считаю более целесообразным познакомиться с ним в особой главе вместе с описанием фотографических кимографов.

Здесь нужно еще упомянуть о приборе Kroneker'a, построенном специально для регистрации радиального пульса. Принцип его устройства заключается в следующем. На art.radialis укрепляется полый резиновый пелот, соединенный со стеклянной трубкой, открытой на свободном конце. Внутренность системы заполнена ртутью. Движения кровеносного сосуда сообщаются ртути, заполняющей пелот, и затем всей остальной ее массе. В результате происходит смещение ртутного мениска в стеклянной трубке. Последняя освещается ярким пучком света и изображение ее обычным способом отбрасывается на экран—движущуюся полосу светочувствительной бумаги. Сфигмограмма имеет вид ленты, разделенной на светлую и темную половины волнистой линией. Прибор этот имеет все недостатки, свойственные системам с передачей через жидкость, тем более что передающей средой здесь служит ртуть, т. с. жидкость очень большого удельного веса. Вместе с тем регистрация соединена с рядом практических неудобств, связанных с необходимостью пользоваться оптическим методом.

При некоторого рода исследованиях бывает важно получить не столько точное воспроизведение механических явлений, происходящих в кровеносном сосуде, сколько отметить время появления их. Для этой цели служат так называемые пульс-телефоны. Нужно еще добавить, что применение этого рода приборов связано иногда просто с известного рода техническими удобствами при некоторого рода исследованиях, например, при одновременной записи электрокардиограммы и пульса. По своему устройству они почти ничем не отличаются от обычного типа телефонов. Мембрана телефона, как обычно, сделана из тонкой пластинки мягкого железа (см. рис. 17) и в центре несет небольшой пелот Р. По другую сторону мембраны помещен подковообразный магнитик, на полюсах которого укреплены две катушки, обмотанные тонкой медной проволокой. При смещениях мембраны меняется сила магнитного силового потока, пронизывающего обмотки катушки. В результате этого в обмотке индуцируются токи. Регистрация последних производится обычно при помощи малого струнного гальванометра, о чем будет подробно изложено ниже. Мембрана телефона является достаточно чувствительным объектом, так как период ее собственных колебаний очень невелик и вполне отвечал бы необходимым при сфигмографии величинам. Способ электрической передачи также очень точен. Несмотря на все это, вследствие чисто физических условий аппарат не может точно воспроизводить механических явлений, происходящих в сосудах. Возникновение и движение тока в катушках его и во всей цепи происходит только в момент движения мембраны. Поэтому в момент максимального развития систолической волны, когда мембрана, выведенная из состояния покоя, достигает наивысшей степени смещения и — для простоты допустим - задерживается в этом положении хотя бы на очень короткий промежуток времени, электрический ток должен упасть до нуля, и взамен систолического плато получится острая вершина. Конечно, нет надобности в полной остановке мембраны; достаточно значительного замедления в ее движении, чтобы получилось расхождение в силе протекающего по цепи тока и степени смещения мембраны. Электросфигмограмма, следовательно, не будет по форме воспроизводить движения воспринимающей мембраны, но лишь отмечать моменты перемен в движении последней.

Рис. 17

Мембрана защищена крышкой R, имеющей в центре круглое отверстие, в которое ввинчивается стеклянное кольцо r. Последнее регулирует степень выстояния иелота и, следовательно, степень прижатия его к кров, косному сосуду. Кроме того оно защищает мел брану от грубых воздушных толчков.

С целью построить чувствительный и свободный от инерции прибор для регистрации пульсовых движений были попытки всспользоваться чувствительным пламенем Коеnig'a. Чувствительное пламя, как известно, обладает большой восприимчивостью к звуковым колебаниям особенно высокого тона. Попытка воспользоваться этим методом для воспроизведения пульсовых волн не принесла желаемых результатов. Причина этого явления, как показал Франк, заключается в том, что колебания большого периода гораздо легче передаются в направлении обратном движению газовой струи, т. е. по направлению к широкому отверстию, через которое газ притекает, а не к узкому, у которого он горит, образуя чувствительное пламя.

Описанными приборами исчерпываются применяемые в настоящее время оптические способы регистрации механических движений сосудистых стенск.

Из изложенного вытекает, что в механическом отношении оптические методы регистрации пульса во многом превосходят рычаговые приборы, хотя они все же не вполне свободны от инерции и, следовательно, небольших искажений графики. В настоящее время они являются единственными, позволяющими изолированное изучение пульсовой кривой.

Из всех описанных приборов практически наиболее удобным является прибор Франка, хотя другие и превосходят его в смысле точности.

Общие неудобства оптических методов заключаются н необходимости пользоваться фотографическим процессом, связанным с работой в темной комнате, и необходимостью обработки полученных кривых проявителями, фиксированием изображений и т. д. Однако это искупается точностью и рельефнсстыо получаемых кривых. Кроме того клиническое исследование сердца в сущности не может производиться без электрокардиографа, непременно связанного с применением фотографических процессов, почему и параллельная световая регистрация пульса не представляет лишних затруднений.