Методические основы разделения фотоплетизмографии и оксигемометрии

 

Светопроницаемость различных частей тела определяется светопроницаемостью мягких тканей и светопроницаемостью крови, заполняющей кровеносные сосуды. Если первая величина является практически неизменной на протяжении небольших отрезков времени, то вторая весьма изменчива. Она зависит как от общего количества крови, находящегося в данный момент в сосудах исследуемой части тела, так и от ее физических свойств, определяемых преимущественно концентрацией форменных элементов и химическим составом. Регистрация общей светопроницаемости органа не дает возможности определить относительное участие в ее изменениях того или иного фактора. Некоторыми из них можно, однако, пренебречь, учитывая незначительность вносимых ими ошибок (к таким факторам относятся, химический состав плазмы, химический состав и количество лейкоцитов). Другие факторы, например содержание эритроцитов, существенно влияют на удельную светопроницаемость крови, но при определенных условиях остаются неизменными и могут быть учтены. Очень большое влияние на удельную светопроницаемость крови оказывает гемоглобин. Общая его концентрация в периферической крови на протяжении небольших отрезков времени также является величиной достаточно постоянной, но соотношение восстановленного и окисленного гемоглобина при тех же условиях подвержено большим колебаниям. Окраска крови при отсутствии патологических дериватов (СОНв, метгемоглобин) зависит исключительно от насыщенности ее кислородом.

Таким образом, причины изменений проницаемости белого света через ткани органа можно свести к двум основным переменным факторам: объему крови в данном участке тела и степени насыщенности ее кислородом. Если исключить влияние первого из них, то регистрация светопроницаемости может служить показателем степени насыщенности крови кислородом. Этот принцип положен в основу создания различных моделей оксигемометров (Крепс, 1959). В настоящее время на базе этого принципа созданы пульсовые оксиметры.

Если же исключить влияние второго фактора, то регистрация изменений светопроницаемости будет отражать изменения кровенаполнения органа. Этот принцип положен в основу фотоплетизмографии.

Методически оказалось возможным разграничить указанные два фактора благодаря особенностям спектральных свойств окисленного и восстановленного гемоглобина. Если для просвечивания органа использовать свет с длиной волны от 650 до 750 нм, то разница в светопоглощении между окисленным и восстановленным гемоглобином оказывается очень большой и малейшие изменения соотношения этих веществ в крови в значительной степени сказываются на светопроницаемости органа. Если же для просвечивания применять свет с длиной волны от 750 до 900 нм, то разница становится настолько ничтожной, что увеличение или уменьшение насыщенности крови кислородом не оказывает сколько-нибудь выраженного влияния на светопроницаемость органа. Таким образом, при фотоплетизмографии необходимо использовать свет инфракрасной части спектра, чтобы единственным переменным фактором, определяющим светопроницаемость органа, являлась степень его кровенаполнения. [7]

 

Методика фотооксигемометрии

 

Предложенная в 70-х годах методика фотооксигемометрии основана на использовании принципов фотоплетизмографии, позволяющих выделить артериальную составляющую абсорбции света для определения оксигенации артериальной крови. Измерение этой составляющей дает возможность использовать спектрофотометрию для неинвазивного мониторинга сатурации артериальной крови кислородом. Согласно закону Бугера - Ламберта - Бера: интенсивность I₀ падающего света при распространении в среде уменьшается по закону

 

I = I₀ exp (- ecl),

 

где l - толщина слоя, e - показатель поглощения (на единицу концентрации c вещества), величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, т.е. при исследовании кровотока определяется размером сосуда или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Фотоплетизмограмма (ФПГ) получаемая после усиления и обработки сигнала фотоприемника (рис. 4) характеризует состояние кровотока в месте расположения датчика.

 

Рис. 3. Фотоплетизмограмма периферического пульса

В частности, когда давление крови повышается или возникает вазодилятация сосудов, амплитуда ФПГ возрастает, при снижении давления или вазоконстрикции сосудов амплитуда падает.

Для неинвазивного определения оксигенации крови в «поле зрения «фотоплетизмографического датчика помещается участок тканей, содержащий артериальные сосуды. В этом случае сигнал с выхода датчика, пропорциональный абсорбции света, проходящего через ткани, включает две составляющие: пульсирующую компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную «базовую» составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка (рис. 5).

 

                                                                                                         

                                                                                                         

 

 

Рис. 4. Распределение абсорбции света в тканях

 

Путем анализа формы сигнала ФПГ можно выделить его фрагменты, соответствующие моментам систолического выброса. Именно в эти короткие промежутки времени на вершине систолы удается наиболее точно определить сатурацию артериальной крови кислородом. Для определения сатурации используется методика двухлучевой спектрофотометрии. Измерение абсорбции света производится в моменты систолического выброса, то есть в моменты максимума амплитуда сигнала датчика (рис. 5) для двух длин волн излучения. [8] Для этой цели в датчике используются два источника излучения с различными спектральными характеристиками.

Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода длины волн излучения источников необходимо выбирать в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином. Этому условию удовлетворяют красная и ближняя инфракрасная области спектра излучения. При длине волны излучения 660 нм (красная область) гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин, а на волне 940 нм (инфракрасная область) - поглощение оксигемоглобина больше, чем гемоглобина.

Для повышения точности определения сатурации методом фотооксигемометрии используется нормирование сигналов поглощения света, для чего измеряется постоянная составляющая в моменты диастолы А₌ и находится отношение амплитуды пульсирующей составляющей А_~ к величине А₌ (рис. 5):

 

A_норм=A_~/A₌

 

Эта процедура выполняется для каждой длины волны излучения. Нормированная величина поглощения не зависит от интенсивности излучения светодиодов, а определяется только оптическими свойствами живой ткани. Для получения значений сатурации рассчитывают отношение нормированных величин поглощения света для двух выбранных длин волн:

 

R=(A_~/A₌)^кр/(A_~/A₌)^инф,

 

_кр - относится к абсорбции в красной области спектра, _инф - в инфракрасной области спектра. [9]