информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Салах Халед Хасан
Кровь играет важнейшую роль в поддержании гомеостаза, в частности, в сохранении относительного постоянства количества воды и электролитов в клетках и тканях. Она выполняет как транспортную, так и защитную функции. С ее помощью к клеткам и тканям доставляются необходимые для жизнедеятельности питательные вещества: глюкоза, аминокислоты, полипептиды, жиры, витамины, минеральные вещества, вода, кислород, гормоны и пр. Защитные свойства обусловлены тем, что в ней имеются иммунные тела, обезвреживающие микроорганизмы и их яды, разрушающие чужеродные белки, а также лейкоциты, способные к фагоцитозу (захват и переваривание микробов).
Кровь состоит из жидкой части плазмы и взвешенных в ней форменных элементов: эритроцитов (красные кровяные тельца); лейкоцитов (белые кровяные тельца); тромбоцитов; кровяных пластинок и пр. Если кровь, к которой добавлено противосвертывающее вещество, налить в пробирку и подвергнуть центрифугированию, то форменные элементы, как более тяжелые, осядут на дно. Кровь разделится на два слоя: нижний - красного цвета; верхний - бесцветный или слегка желтоватый, который представляет из себя плазму крови. Пленка белого цвета между слоями состоит из лейкоцитов, которые имеют меньший удельный вес, чем эритроциты. Вязкость крови в пять раз больше по сравнению с водой, плазмы - в 1,7÷2,2 раза.
Плазма крови содержит 90÷92% воды и 8÷10% белков и солей. Белки отличаются по свойствам и функциональному назначению. Различают: альбумины (4,5%); глобулины (1,7÷3,5%); фибриногены (0,4%). Кроме этого, в плазме содержатся небелковые соединения, содержащие азот и безазотистые органические вещества. Общее количество небелкового азота в плазме, называемого остаточным азотом, составляет 30÷40 мг %. При недостаточности почек количество остаточного азота в крови резко увеличивается.
Основной функцией эритроцитов является перенос кислорода от органов дыхания к клеткам организма. Эта функция осуществляется благодаря наличию в эритроците дыхательного пигмента крови - гемоглобина. Кроме переноса крови, гемоглобин участвует в транспортировке углекислоты.
Гемоглобин состоит из белка глобина и четырех молекул гема. Молекула гема содержит атом двухвалентного железа, обладающий способностью присоединять или отдавать молекулу кислорода. Гемоглобин (Нb) , присоединивший кислород, называется оксигемоглобином и обозначается символом НbО2
О2 + Нb ↔ НbО2,
а отдавший - восстановленным или редуцированным гемоглобином. Оксигемоглобин по цвету отличается от гемоглобина. Поэтому кровь, содержащая его, имеет ярко-алый цвет (артериальная кровь). При пропускании света через раствор оксигемоглобина обнаруживаются две характерных темных полосы поглощения в желто-зеленой части спектра между фрауэнгоферными линиями D и Е(рис. 1,а). Для восстановленного гемоглобина характерна одна широкая полоса поглощения в желто-зеленой части спектра (рис. 1).
Рисунок 1 – Спектры поглощения оксигемоглобина (а) и гемоглобина (б)

Степень насыщения гемоглобина крови (сатурация крови кислородом) является важной характеристикой оксигенации крови, которая обозначается индексом Sa02 (сатурация артериальная кислородом).
Для исследования процесса насыщения крови кислородом (оксигенации) используются методы инвазивной или неинвазивной спектрофотометрии.
Неинвазивный метод обеспечивает получение менее объективных результатов, но он очень удобен для медицинской практики.
Инвазивный метод, например, используют для оценки сатурации венозной крови (Sv02). Для этого в катетер, вводимый в подключичную вену или легочную артерию, вмонтированы два световода. При их реализации используются элементы волоконной оптики. Световод представляет собой тонкую нить из специального стекла или полимера, которая покрыта веществом, выполняющим роль отражающего слоя (с малым коэффициентом преломления). Свет, попавший на торец такой нити, под углом, меньшим (θmax, распространяется по нему вследствие полного внутреннего отражения, если углы изгиба нити меньше 90° (рис.2).

Рисунок 2 – Распространение света по световоду
 
Угол θmax зависит от коэффициентов преломления среды и покрытия или внешних и внутренних слоев (когда показатель преломления изменяется в световоде плавно) и характеризуется числовой апертурой световода A 0
где n c - коэффициент преломления сердцевины;
n n - коэффициент преломления покрытия.
Важной характеристикой оксигенации является степень насыщения кислородом гемоглобина крови (SрO2), которая называется сатурацией крови кислородом.
В основе использования фотометрических методов при определении оксигинации крови лежит измерение поглощения света, прошедшего через пробу крови, в различных спектральных диапазонах. Количественная спектрофотометрия крови основана на использовании закона Бера – Ламберта с учетом того, что каждая из четырех форм гемоглобина имеет свой собственный спектр поглощения. Так, оксигемоглобин (соединение кислорода с гемоглобином – HbO2) имеет минимум поглощения в красной части спектра. В то же время редуцированный гемоглобин (Hb) в этой части спектра имеет более высокое поглощение. В инфракрасной (ИК) части спектра, наоборот, поглощение HbO2  становится выше поглощения Hb. Выделяются отдельные участки спектра, где оптические свойства метгемоглобина (metHb) имеют существенное отличие от других составляющих крови. Спектральная характеристика карбоксигемоглобина (COHb) имеет резко падающий характер, и в ИК диапазоне его поглощение незначительно.
Таким образом, для исследования всех четырех фракций сатурации необходимо использовать четыре длины волны излучения.
Многолучевая спектрофотометрия проб крови используется в кровяных оксиметрах, применяемых в лабораторной практике.
В клинической практике предполагают, что концентрации факций COHb и MetHb малы, по сравнению с концентрацией HbO2 и Hb, и измерения проводят на двух длинах волн света.
Исследования показали, что приборы неинвазивного чрезкожного измерения сатурации артериальной крови кислородом дают неустойчивые показания из-за наличия различных неоднородных тканевых структур, окружающих сосуды. Поэтому на практике используется прямая инвазивная спектрометрия крови, использующая волоконно-оптические оксиметры, позволяющие производить оценку оксигенации венозной крови (SvO2).
В этих приборах используются специальные катетторы, вводимые в подключичную вену или в легочную артерию. В катетторы вставляются два световода, подключаемые к источнику света и фотоприемнику соответственно, причем в световодах могут различаться несколько оптических волокон, что позволяет одновременно и независимо пропускать и принимать излучения, имеющие различные длины волн.
На рисунке 3 представлена структура инвазивного абсорбционного измерителя оксигинации крови, в котором исследуется величина поглощения света элементами крови, расположенными между торцами световода.

Рисунок 3 – Структура абсорбционного измерителя показателей оксигенации

Если торцы световода находятся в одной плоскости, что в малогабаритном катетере технически сделать проще, то световой поток на торце световода с фотоприемником появится только вследствие отражения светового излучения от элементов крови (рис. 4). В этом случае будет использоваться метод нефелометрии. Различия между методами, с точки зрения технической реализации, не очень существенны. При абсорбции и турбидиметрии источник и приемник светового излучения находятся на одной оси. При нефелометрии (классической) источник и приемник излучения находятся под углом 90° для того, чтобы исключить попадание на фотоприемник излучения, прошедшего через вещество. Так как в малогабаритном катетере это выполнить тяжело, то торцы световодов часто находятся в одной плоскости. Для повышения диагностической ценности результатов измерительные операции выполняют на нескольких частотах, например, при длинах волн 670, 700, 800 нм
Рисунок 4 – Структура нефелометрического измерителя параметров оксигенации
Коэффициенты отражения у гемоглобина и оксигемоглобина существенно отличаются на длинах волн 620…650 нм, что хорошо видно из графика, представленного на рис. 5.
Рисунок 4 – Частотная зависимость коэффициентов отражения
для Hb и HbO2
Это позволяет строить двухлучевые устройства определения параметров оксигинации крови повышенной точности.
На рисунке 6 приведена схема двухчастотного датчика насыщения крови кислородом, состоящего из трех световодов,  двух светодиодов (СД1, СД2) и одного фотодиода (ФД).
 

 

Рисунок 6 – Схема двухлучевого датчика насыщения крови кислородом
 
По первым двум световодам излучение с длинами волн λ1 и λ2 подводится к анализируемой крови. По третьему световоду отраженное от фрагментов крови излучение подводится к фотоприемнику (фотодиоду). Вычисляя отклонение сигналов, полученных на частотах λ1 и λ2, определяют показатель сатурации крови.
При использовании световодов и неинвазивного метода имеется возможность измерить скорость движения крови V. В основу метода положено физическое явление, имеющее название эффект Доплера. При освещении движущегося тела лучом лазера, отраженный от него луч имеет сдвиг по частоте fD , зависящий от его скорости. Он характеризуется уравнением:
где Ks и Ko - волновые векторы падающего и рассеянного света; V - вектор скорости движущегося тела.
При построении измерителей скорости движения крови используется структура оптической системы с опорным источником света. Измеряемый объект освещается через волоконно-оптический зонд, с помощью которого также принимается отраженный от фрагментов крови сигнал (рис. 7).
В результате проявления эффекта Доплера он будет иметь частотный сдвиг
где λ - длина волны источника излучения; θ - угол между вектором скорости объекта и лучом.
Для облегчения оценки частоты fD, зависящей от скорости движения крови, световой поток лазера расщепляют на два пучка. Один пучок освещает объект, а другой (опорный) модулируется ультразвуковым модулятором с частотой fM Модулированный луч через зеркало и призму подается на фотоприемник. Он имеет частоту f0 + fM.
Рисунок 7 – Установка для измерения скорости крови
 
Отраженный луч имеет частоту f0 + fD. Он также подается на фотоприемник с помощью призмы. В составе выходного сигнала фотоприемника будет присутствовать частота биений 
при cos = 1,  =  - fD
Она зависит от скорости движения крови. При использовании в качестве фотоприемника лавинного фотодиода удается измерять скорости движения крови от 4 см/с до 10 м/с с погрешностью, менее 5%. Пространственное разрешение 100 мкм. Этот же принцип используется при измерении скоростей газовых потоков. Один из возможных вариантов конструкции наконечника волоконно-оптического катетера показан на рис. 8
Рисунок 8 – Конструкция наконечника волоконно-оптического катетера
 
Источники :
1.        Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, С.А. Филист . Приборы и технические средства функциональной диагностики. Учебное пособие - Курск2003 г.
2.        http://www.rosmedic.ru/fotometricheskie-metodyi-pri-diagn.-issledovaniyah-/diagnosticheskie-pokaza.html
3.        http://www.rosmedic.ru/fotometricheskie-metodyi-pri-diagn.-issledovaniyah-/etodyi-i-tehnicheskie-sre.html.
 
 
 
 
 

Комментарии