Что измеряет тонометр в физике
Кто и как придумал измерять давление: очередная история вопроса
Сегодня мы предлагаем вам очередную заметку из рубрики, «как это было», в рамках которой мы уже коротко знакомили вас с историей возникновения шагомера, проблемой изучения феномена осознанных сновидений, настоящим «автором» электронной сигареты, а также большой историей изучения человеческого мозга.
На этот раз мы предлагаем историю измерения кровяного давления, благо она короткая: впервые давление измерили в 1733 году, и внутри мы расскажем о том, кто это сделал.
Кровяное давление можно измерять прямым путем или «непрямым», и к последнему относятся все неинвазивные методы, самыми распространенными из которых и наиболее «цитируемыми» являются цифровые и механические тонометры. Тем не менее, учитывая определенное увлечение этой «метрикой» среди производителей носимых гаджетов, груши и манжеты — уже не монополисты.
На страницах нашего блога вы могли читать обзор трекера W/me2, видеть подборку современных гаджетов, которые умеют или могли бы уметь делать замеры. Слухи про вторую модель Apple Watch систематически наделяют новые часы датчиком давления, а лидер рынка Fitbit еще в прошлом году заверил устами генерального директора, что добавит возможность мониторить давления в текущем году. Так или иначе, это все методы «не классические»
Что будет в будущем, конечно, никто из нас толком не знает, а вот немного заглянуть в прошлое мы посмели. Итак, впервые кровяное давление было измерено Стивеном Хейлсом. Тот самый случай, когда медицина и религия успешно «уживались» в одной голове и не мешали друг другу.
Богослов и естествоиспытатель родился в 1677 году в многодетной семье. Обучался теологии и естественным наукам, после чего отправлял должность викария в одном из графств.
Впрочем, запомнился он отнюдь не как философ или теоретик христианства, но как ученый естествоиспытатель, с чьим именем связано несколько крупных открытий в ботанике, ряд изобретений, а также первые опыты по измерению давления. Этим опытам посвящена вторая часть его книги «Statical Essays», где приведены описания экспериментов и таблицы впервые получаемых данных.
Надо непременно уточнить, что первые опыты со вставкой трубки в сосуды для определения того, на какую высоту поднимается кровь, производились, конечно, не на людях, за что, кстати, Хейлса критиковали, в том числе и известные современники. Одним из них был поэт Александр Поуп, страстный любитель собак.
Сохранилось изображение одного из первых опытов Хейлса, который он проводил на лошадях:
Так или иначе этот «живодерский» подход наделил Хейлса званием первого человека, который измерил кровяное давление, а «Гемостатика», книга из второй части «Statical Essays» — памятник об этом и тому доказательство. Свои эксперименты Хейлс проводил примерно с 1709 года.
Кстати, в первой части автор рассуждает о роли воздуха в жизни животных и растений, обращает внимание на способности корней некоторых образцов весьма избирательно поглощать минеральные вещества из почвы, рассуждает о качестве воздуха и влиянии его на продолжительность жизни. Эти наблюдения побудили его изобрести вентилятор!
И тогда же его начали применять в тюрьмах, на заводах, в портах, что существенно (по тем меркам) повысило продолжительность жизни работников и отбывающих наказание преступников.
Надо сказать, что открытые Хейлсом возможности не сразу нашли применение в клинической медицине, и прошло почти сто лет, прежде чем опыты по измерению кровяного давления были продолжены. Продолжил же их физик Жан Луи Мари Пуазёйль.
Его вклад в гемодинамику неотрывен от физических экспериментов, и одни из них подталкивали другие. Так, в результате исследований был сформулирован закон, носящий его имя, как и одно из ламинарных течений.
Его исследования в области истечения жидкости через тонкую цилиндрическую трубку получили широкое применение для определения вязкости и скорости течения в капиллярах. Впервые для определения давления воспользовался ртутным манометром, U-образным «девайсом», который помог ему зафиксировать давление в том числе и у человека. Произошло это во время ампутации бедра, и выражалось как 120 мм. рт. ст. Собственно, традиция «ртутного столба» берет свои корни именно от ртутного манометра Пуазёйля. Открытия ученого, связанные с медициной, пришлись на конец 30-х годов 19 века.
Его «U» усовершенствовал выдающийся физиолог Карл Людвиг, которому принадлежит масса важных открытий в медицине, в том числе и в области сердечно-сосудистых заболеваний, нервной системы и т. п.
Давление он предлагал измерять с помощью кимографа. Так он назвал свой «гаджет», который по сути являл собой усовершенствованный ртутный манометр и позволял графически оформлять и регистрировать результаты давления в разных условиях.
Так как в основе был ртутный манометр, использованный Пуазёйлем, то метод Людвига был также инвазивным, и одна из сторон трубки, погружаемой в артерию, закреплялась в ней с помощью катетера. Опыты на животных позволили обнаружить ряд закономерностей между дыхательными процессами и давлением крови. Позднее появился еще один прибор — «кровяные часы Людвига» для измерения регионарного кровотока и сердечного выброса. Это было около 1847 года.
Эти опыты, в отличие от чисто научных экспериментов того же Хейлса, уже могли применяться в медицине, однако клиническую практику методы измерения смогли пополнить позднее, тогда, когда появились первые возможности неинвазивного измерения. Они связаны с именем Карла Вирордта, который также работал в середине 19 века.
Он работал над методами измерения кровотока, в результате чего предложил прибор, который был назван сфигмограф и положил начало сфигмографии как методу в медицине. Ученый базирует свой метод измерения на гипотезе, что косвенно давление может быть измерено путем «противодавления» при котором прекращается пульсация. И первые записанные им показания перед вами:
Собственно, эта идея с пульсацией, или биением, в процессе измерения давления актуальна и поныне.
Над усовершенствованием устройства Вирордта работал Этьен-Жюль Марэ, который известен и как физиолог, и как кардиолог, и как фотограф, который положил начало целому направлению — хронофотографии.
Марэ ввел в клиническую медицину первый сфигмограф, который разрабатывался совместно с часовщиками «Бреге», а также методом плетизмографии попытался получить данные о давлении.
Его работа «Давление и скорость потока крови» вышла в 1876 году, где он описал принцип расслабления артериальной стенки, и добился на своем аппарате впервые двух цифр: систолического и диастолического давления.
После измерения давления методом помещения руки в стеклянную колбу, то есть методом Марэ, возник еще один, похожий, но улучшенный. Его предложил Самуэль Зигфрид Карл Риттер фон Баш. В 1881 году он заменяет колбу на резиновый мешочек с водой, который уже обматывается вокруг руки. Но при том, что этот метод уже напоминает как бы современные тонометры, показывал он только верхнее, систолическое давление.
Прибор Баша модернизирует, еще более уподобляя современным, знаменитый кардиолог Пьер Потэн, который в 1899 году меняет воду в резиновом мешочке на воздух, который также, оказывая давление на руку меняет «положение» ртути в сфигмоманометре, регистрируя верхнее давление.
Полую резиновую манжету для измерения давления использовал и Густав Гартнер, однако созданное им изобретение он впервые назвал иначе. Так он ввел в обиход термин «тонометр», и именно так по сей день мы и называем приборы с аналогичным назначением.
Несколькими годами ранее, в 1896 году появился новый метод при старом названии оборудования. Его появление связано с именем Рива-Роччи.
Суть его метода заключалась в следующем. В резиновую шину, опоясывающую руку, нагнетался воздух, и показания ртутного столба, при которых прекращалась пульсация, соответствовали систолическому давлению. Затем воздух постепенно выпускался, и возвращение пульсации фиксировалось как диастолическое давление.
Изобретение Рива-Роччи без посягательства на метод слегка модернизировал немецкий врач Генрих фон Реклингхаузен, заменив ртутную шкалу пружинной, а резиновую шину манжетой, близкой к нынешним.
Этот метод используется и сейчас в клинической практике во всем мире. Открыл его в 1905 году российский военный врач, заслышав шумы, которые возникают при накачивании грушей манжеты. Получилось это по воле случая, поэтому теоретическими обоснованиями данный метод обязан другому профессору, фамилия которого одно время стояла рядом в сочетании «Метод Коротково-Яновского».
Согласно этой механике, уровень давления в манжете, зафиксированный во время первого шума, показывает верхнее давление. Когда же постепенно кровоток выравнивается, и звуки пропадают, фиксируется давление диастолическое.
Дальнейшее развитие возможностей измерения давления связано уже скорее с созданием и совершенствований новых аппаратов, тонометров и других девайсов, и все основные фамилии практиков перечислены.
Особенности устройства тонометра
Читайте в этой статье:
Артериальное давление – это важный показатель работы кровеносной системы, сердца и всего организма в целом. Для измерения этого параметра используются приборы, которые называются тонометрами. Они различаются по принципу действия и функциональности, по дизайну и способу использования. Чтобы правильно выбрать устройство для домашнего применения, стоит разобраться, как работает тонометр и как он устроен.
Конструкция и принцип работы механического тонометра
Тонометры бывают механическими и автоматическими. Есть еще полуавтоматические приборы, которые можно отнести ко второй группе. У каждого такого прибора – своя конструкция и механизм действия.
Тонометр механического типа работает по аускультативному методу измерения давления. Этот способ регистрации показателей был изобретен еще в начале XX века и успешно применяется до сих пор. Устройство тонометра за последние десятилетия не изменилось, он состоит из:
Принцип работы тонометра такого типа предусматривает определение шумов на слух. Манжета надевается на руку, в нее нагнетается воздух до полного пережатия артерии. После повышения давления еще на 30-40 мм рт.ст. воздух постепенно выпускают. Это приводит к раскрытию артерии и возобновлению кровотока, которое сопровождается определенным звуком. В момент появления такого шума фиксируется цифровой показатель на манометре, он и будет значением верхнего (систолического) давления. При снижении давления крови также появляется характерный звук, так определяется нижнее (диастолическое) давление.
Устройство автоматического тонометра
Приборы автоматического типа действуют иначе. Чтобы понять, как работает электронный тонометр, нужно иметь представление о его устройстве и осциллометрическом методе измерения.
Конструкция автоматического прибора включает:
Понимая, из чего состоит тонометр, проще разобраться в механизме его работы и правилах использования.
Как автоматический тонометр измеряет давление?
Работа автоматического тонометра построена следующим образом:
Затем прибор окончательно стравливает воздух из манжеты и выводит результаты измерений на дисплей.
Другими словами, измерение артериального давления по осциллометрическому методу – это регистрация колебаний давления воздуха в манжете тонометра. Эти колебания (осцилляции) проявляются из-за влияния кровотока в пережатом участке артерии. При помощи электронной системы показатель преобразуются в сигналы электрического типа, а затем автоматическая система анализирует их и отображает в цифровом виде.
Тонометры автоматического типа работают от батареек, аккумуляторов или от сети. Некоторые модели сочетают в себе несколько вариантов питания. Стоит учитывать, что батареек хватает на сравнительно недолгое время. Аккумуляторы – более предпочтительный вариант, поскольку их можно подзаряжать. Возможность работы от электросети тоже может оказаться полезной для домашнего использования. В комплектацию таких приборов входит сетевой кабель.
Особенности тонометров на запястье и полуавтоматических приборов
Для измерения давления можно использовать тонометр, который надевается на запястье. Работают они по аналогии с обычными автоматическими тонометрами, определяя значения давления и пульса и выводя их на дисплей в виде цифр. Единственный нюанс – показания снимаются с лучевой артерии, где амплитуда пульсовой волны меньше.
Отличие полуавтоматических приборов заключается в ручном управлении помпой. Человек должен сам накачивать воздух, а после достижения нужного давления устройства автоматически сбрасывает давления, стравливая воздух.
С этим различием связано и несколько иное устройство прибора. Конструкция состоит из корпуса с электронной начинкой, к которому прикрепляется манжета, как у электронного тонометра. Но есть еще и механическая груша для нагнетания воздуха, как у механических моделей.
Манжета фиксируется на руке, в нее при помощи груши закачивается воздух. Затем нужно приоткрыть небольшой клапан на груше для постепенного стравливания воздуха. В электронном блоке имеются датчики, которые фиксируют необходимые звуки, поэтому фонендоскоп не требуется.
Как правильно выбирать тонометр?
Выбирать тонометр следует с учетом его конструктивных особенностей. Например, для использования механического прибора необходимы хороший слух, чтобы различить тоны, и зрение, чтобы правильно оценить показатели манометра. Таким прибором довольно сложно измерять давление самому себе, обычно требуется помощь другого человека.
Зато приборы этого вида обходятся недорого, не требуют источника питания. Ими часто пользуются сотрудники медицинских учреждений, у которых имеется достаточно большой опыт работы с подобными устройствами.
Автоматические тонометры удобны для измерения артериального давления в домашних условиях. Достаточно правильно надеть манжету и нажать кнопку, а все остальное прибор сделает сам. К тому же многие автоматические тонометры оснащаются множеством полезных функций:
Стоит обратить внимание на модели, которые синхронизируются с приложениями для мобильных устройств и компьютерными программами. Такие тонометры передают данные через USB, это дает возможность проанализировать динамику давления, предоставить эту информацию врачу во время консультации, отслеживать влияние различных факторов на работу сердца и сосудов.
Удобные и точные приборы для измерения давления
Люди пользуются тонометрами уже много десятилетий. Со временем появляются новые технологии, позволяющие сделать процесс измерения давления более простым и комфортным. Именно таким вариантом стали автоматические тонометры, которые проводят измерения автономно и обеспечивают высокую точность показателей, в том числе за счет отсутствия человеческого фактора.
Единица измерения и основные показатели тонометра
Артериальное давление и его единица измерения
Артериальное давление – это сила давления крови на стенки артерий во время сокращения и расслабления сердечной мышцы, единица измерения – миллиметры ртутного столба.
Измерение проходит следующим образом: на плече пациента закрепляют манжету, а к локтевой ямке прикладывают стетоскоп и накачивают воздух в манжету, обычно до значения в 200- 220 мм.рт.ст., а затем медленно спускают воздух из манжеты, используя для этого спускной клапан на груше, и внимательно выслушивают звуки пульсаций. Начало пульсаций соответствует верхнему (систолическому) давлению, означающее максимальное давление в артериях во время сокращения сердечной мышцы, а конец – нижнему (диастолическому), т.е. давление в артериях в момент расслабления сердечной мышцы
Показатели тонометра
Значения артериального давления в пределах от 100/65 до 139/89 мм. рт. ст. считаются нормальными.
Нормальным физиологическим явлением считается изменение АД в течение всего дня: утром оно обычно снижено, а к вечеру показатели повышаются. Также уровень артериального давления зависит от многих других факторов, например:
Повышенное систолическое давление может свидетельствовать о гипертонии, особенно если значение этого показателя постоянно держится на высоком уровне (от 140 мм.рт.ст и выше). При значении более 180 мм. рт. ст. требуется немедленное врачебное вмешательство, иначе инсульт или инфаркт неизбежен. Низкий уровень этого показателя (до 100 мм.рт.ст) говорит о том, что количества крови, прокачиваемой сердечной мышцей, недостаточно для нормального функционирования организма. Однако для некоторых людей низкое артериальное давление считается нормой.
Высокий показатель диастолического давления может свидетельствовать не только о гипертонии, но и о нарушении функции почек или о наличии атеросклероза.
Помимо основных результатов измерения на дисплее автоматического или полуавтоматического тонометра можно заметить дополнительные иконки. Если таковы имеются, то это говорит о том, что ваш прибор имеет в своем арсенале полезные функции, которые не только облегчают процесс измерения, но и дают дополнительные сведения о состоянии здоровья. Рассмотрим самые распространенные из них на примере тонометров Omron:
Распространенные ошибки тонометра
Даже самый качественный и дорогой прибор может рано или поздно может выдать ошибку измерения, но не спешите списывать его со счетов – возможно ошибка легко исправима.
Проблема: Слишком завышенное (заниженное) значение артериального давления.
Решение: Возможно манжета была наложена неправильно или во время измерения вы разговаривали или двигали рукой. Повторите измерения, соблюдая все правила, предусмотренные в руководстве пользователя.
Проблема: Давление в манжете не повышается.
Решение: Возможно воздушный штекер неплотно подсоединен к тонометру. Проверьте соединение. В случае неисправности манжеты замените ее на новую.
Проблема: Тонометр не включается.
Решение: Возможно сели батарейки. Вставьте новые и проверьте еще раз.
Проблема: На дисплее отображается Er.
Решение: Ошибка прибора. Обратитесь в сервисный центр.
Тонометр. Виды и устройство. Как пользоваться и работа. Особенности
Тонометр – это медицинский аппарат, предназначенный для измерения артериального давления. Его применение позволяет оценить физическое состояние человека, а также диагностировать отклонения в работе организма. Прибор широко используется в медицине, поскольку показатель артериального давления обязательный при прохождении медкомиссии и практически любого медицинского исследования состояния здоровья. Использование тонометра позволяет определить отклонение давления от принятой нормы 120 на 80 мм. рт.ст. в большую или меньшую сторону. Это дает возможность подобрать правильный лекарственный препарат, который нужно употребить, чтобы улучшить самочувствие.
Разновидности тонометров
Данное оборудование не только используется профессиональными врачами и медсестрами в больницах, но и может применяться в домашних условиях. Такой аппарат обязательно должен быть в каждой семье, в которой есть люди старше 50 лет. Именно в этом возрасте обостряются проблемы с артериальным давлением, которые нужно решать с использованием поддерживающих медикаментов.
Производством данного оборудования занимаются десятки производителей заслуживающих доверия, ассортимент которых отличается между собой по цене, принципу работы и конструктивным особенностям. В связи с этим возникает вполне закономерный вопрос – какой тонометр лучше.
Если рассматривать типы оборудования по конструктивным особенностям, то оно бывает:
Механические тонометры подразумевают что все процессы необходимые для измерения артериального давления будут проводиться вручную. У электронных устройств имеются вспомогательные механизмы, которые работают на батарейках или аккумуляторе. Они позволяют ускорить процесс измерения и повысить удобство использования аппарата.
Механический тонометр
Механические тонометры являются самыми старыми устройствами, которые несмотря на почтенный возраст и наличие более современных электронных устройств по-прежнему пользуются популярностью. Главное достоинство механического оборудования – это его точность. Это практический безотказный аппарат, который подразумевает множество циклов использования. Именно такие тонометры можно встретить в медицинских учреждениях при прохождении медкомиссии.
Механическое устройство состоит из следующих элементов:
Как использовать механические тонометры
Чтобы воспользоваться механическим тонометром необязательно иметь ассистента. Данное устройство позволяет измерить давление у самого себя, хотя для того нужны определенные навыки. Для начала нужно взять манжету и расположить ее на бицепсе. После этого манжета затягивается плотно и фиксируется с помощью имеющейся на ее поверхности липучки. Далее под нее на локтевой изгиб поближе к артерии подставляется акустическая головка стетоскопа. После этого нужно вставить оливы стетоскопа в уши.
Одной рукой нужно сжимать и выпускать грушу, чтобы закачать воздух в манжету. По мере заполнения она будет сдавливать руку, перекрывая доступ крови к конечности. Нужно закачать давление хотя бы на 30 пунктов выше, чем верхняя норма (120 мм рт. ст.). В тех случаях, когда давление всегда повышено, нужно качать еще больше, вплоть до максимального показателя, отображающегося на манометре.
Преимущества и недостатки механических тонометров
К безусловным преимуществам, которыми обладает механический тонометр можно отнести:
Электронные
Электронные тонометры существенно превосходят по уровню удобства механические. При этом нужно отметить и некоторые их недостатки. В первую очередь, эти устройства нуждаются в источнике питания. Если батарейка разряжается, то прибор начинает фиксировать показатели с большой погрешностью, что недопустимо, если человек будет пить медикаменты. Правильное определение давления позволяет рассчитать оптимальную концентрацию препарата.
Электронные тонометры бывают:
Полуавтоматические
Полуавтоматические тонометры весьма распространены, поскольку хотя и используют батарейки, но потребляют мало энергии, поэтому способны прослужить несколько месяцев, даже при частом применении, без необходимости смены источника питания. Использование такого прибора подразумевает более легкую процедуру измерения. Сам тонометр представляет собой манжету, которая прикрепляется к небольшому корпусу прибора с электронной начинкой. Для заполнения манжеты воздухом используется обычная груша, как и у механических моделей.
Чтобы воспользоваться таким тонометром необходимо зафиксировать его манжету на бицепсе, после чего закачать в нее воздух с помощью груши. После этого маленький клапан на груше приоткрывается, и она начинает стравливать воздух. Электронная часть устройства оснащается датчиками, которые сами фиксируют начало и окончание пульса. Это позволяет отказаться от применения стетоскопа. Такое устройство по надежности уступает механическому, но превосходит автоматическое оборудование. С его помощью можно с легкостью мерить давление самому себе. Также тонометры полуавтоматического типа позволяют измерять давление даже при проблемах со слухом, когда не получается услышать пульс сквозь стетоскоп.
Автоматические
Автоматический тонометр самый простой в применении. Он не оснащается грушей и стетоскопом. Прибор представляет собой небольшую манжету, на одной стороне которой зафиксирована электронная часть прибора. Внутри устройства имеется собственный компрессор, который накачивает воздух в манжету, и система датчиков. Все что нужно чтобы измерить давление, это зафиксировать манжету на руке и нажать на кнопку. Прибор автоматически закачает воздух и спустить его, фиксируя верхнее и нижнее давление. После этого показатели будут выведены на экран, вместе с частотой пульса.
Распространенной проблемой автоматических тонометров является то, что они быстро истощают батарейки. По мере снижения заряда приборы начинают работать с погрешностью. У ассортимента низкого ценового сегмента, нередки случаи, когда по мере использования прибор начинает выдавать показатели давления с погрешностью, даже на свежей батарейке, хотя перед этим все было предельно точно. В связи с этим стоит избегать дешевых тонометров, и при желании выбрать действительно хороший аппарат.
Существуют автоматические тонометры, работающие на аккумуляторе, которые можно подзаряжать. Их достоинством является предельная точность независимо от заряда батареи. Это достигается путем подключения к тонометру зарядного кабеля и его включения в розетку. В этом случае тонометр использует электрический ток от зарядного устройства, что дает ему достаточный объем энергии для точной работы.
Где лучше фиксировать манжету
Стоит отметить, что фиксировать манжету на бицепсе не всегда удобно, особенно в холодное время года, когда имеется одежда с длинным рукавом. Измерять давление через рукава нельзя, поскольку это нарушает точность. Манжета и акустическая головка стетоскопа должны контактировать с кожей напрямую. В связи с этим многие производители автоматического оборудования предлагают модели устройств, манжеты которых можно одевать на запястье.
Зачастую это отличная альтернатива, но бывают исключения, когда не стоит отдавать предпочтение таким приборам. В том случае, если имеется атеросклероз, то тонометр на запястье будет давать показатели с погрешностью. Это связано с тем, что увеличение жесткости сосудов приводит к некорректному отображению реального давления к слышимым ударам, которые фиксируются для отображения давления. Если требуется гарантированная точность, лучше чтобы манжета одевалась на бицепс.