Принцип работы фотооксигемометра

 

Принцип работы всех оксиметров, в том числе пульсовых, являющихся спектрофотометрическими приборами, основан на различиях спектров поглощения света оксигемоглобином (HbO ₂) и дезоксигемоглобином (HbR - восстановленным или редуцированным гемоглобином). Основная задача оксиметрии состоит в определении насыщения (saturation) артериальной крови кислородом

 

,            (1)

 

где HbO ₂ - концентрация оксигемоглобина, THb - общее содержание гемоглобина.

Составляющая THb включает в себя HbR, HbO ₂, а также такие компоненты, как COHb - карбоксигемоглобин, MetHb - метгемоглобин, и другие составляющие, которые относятся к дисфункциональным фракциям гемоглобина и не участвуют в процессе переноса кислорода. Насыщение артериальной крови кислородом, определяемое (1), называется фракционным насыщением. Содержание дисфункциональных фракций составляет в крови примерно 1-3%, но может доходить до 20% при различных патологиях. Учитывая, что применяемый двухспектральный метод не различает по спектральным характеристикам HbO ₂, COHb и MetHb, введено понятие функционального насыщения, определяемого как:

 

.

 

Различие при этом состоит в примененном методе градуировки прибора: по функциональному или фракционному насыщению.

Важным фактором, влияющим на насыщение гемоглобина кислородом, то есть определяющим сродство Hb к O ₂, является напряжение кислорода в крови. На смещение кривой диссоциации влияют pH, температура и другие параметры, изменение которых может привести к дополнительным погрешностям и, следовательно, величины этих параметров необходимо учитывать при градуировке оксиметров.

Основой метода оксиметрии является закон Бугера-Ламберта-Бера и спектры поглощения различных компонент гемоглобина. Этот закон определяет количественную оценку поглощения света. Такой оценкой является оптическая плотность

 

,

 

где  - интенсивность падающего света;  - интенсивность прошедшего света;  - коэффициент экстинкции (поглощения);  - концентрация растворенного вещества;  - толщина слоя.

Следует отметить, что этот закон строго справедлив только для монохроматического света и растворов. Поэтому в реальном объекте неточное выполнение закона приводит к дополнительным погрешностям. Уменьшить суммарную погрешность можно за счет специальной градуировки прибора.

Суммарное поглощение смеси веществ определяется как сумма поглощений компонент. Это позволило применить следующую модель объекта исследования при измерении насыщения крови методом пульсовой оксиметрии. Суммарное поглощение света каждой длины волны определяется компонентами HbR, HbO ₂ и тканями. Используя пульсовую составляющую крови, можно записать дополнительно два уравнения для различных моментов времени. При этом система уравнений для пульсовой оксиметрии будет выглядеть следующим образом:

 

,             (2)

 

где ,  - интенсивность падающего красного и инфракрасного света; , , , - интенсивность прошедшего света для красного (λ₁) и инфракрасного (λ₂) света для двух различных моментов времени, например, в точках минимального и максимального значения плетизмограммы соответственно; , , ,  - коэффициенты экстинкции для HbR, HbO ₂ и для двух длин волн λ₁=660 нм и λ₂=800 нм; , - концентрация соответственно HbR, HbO ₂; d _1, d ₂, d - толщина слоя HbR и HbO ₂ при максимуме и минимуме пульсовой и для всех остальных тканей (без учета крови).

Необходимо решить систему уравнений (2) для нахождения зависимости

.

 

Система уравнений (2), как показано в [], однозначно разрешима относительно SpO ₂ с учетом того, что величины Δ= d ₁ - d ₂ для красного и инфракрасного света одинаковы:

 

,    (3)

 

где , , i =1,2.

Выражение (3) и есть главная функциональная зависимость, которая лежит в основе работы всех пульсовых оксиметров. Пульсовой оксиметр измеряет с возможно большей точностью величину R, затем ставит в соответствие измеренному значению R величину SpO ₂ по градуировочной характеристике, заложенной в память прибора в виде функции или таблицы. Точность измерения пульсовым оксиметром SpO ₂ и частоты пульса зависит от качества разработки и изготовления усилительного тракта, включающего первичный измерительный преобразователь, от алгоритма обработки сигнала и от градуировочной характеристики.

Пульсовая оксигемометрия имеет ряд недостатков, главным из которых является невозможность определения абсолютных значений оксигенации, особенно при использовании окклюзионных методов.

Решить эти сложности можно с помощью двухлучевого метода фотометрических исследований, основанного на использовании двух каналов в первичном измерительном преобразователе с совмещенными потоками излучения (пульсовой оксиметр относится к однолучевым фотометрическим приборам).

Рис. 8. Структурная схема двухлучевого ОЭИП с совмещенными потоками

 

Лучистый поток от источника излучения ИИ падает на объект исследования и после взаимодействия с ним одна часть отраженного потока поступает на первый фотоприемник ФП1, а другая часть потока попадает на второй фотоприемник ФП2, дальний от источника излучения, причем поток, падающий на второй фотоприемник, будет ослаблен больше, чем поток, падающий на первый фотоприемник, поскольку второй фотоприемник расположен на большем расстоянии от источника излучения, чем первый.

Для двухлучевого оксиметра можно составить четыре уравнения, подобные уравнениям пульсового оксиметра:

 

,     (4)

 

где ,  - интенсивность падающего красного и инфракрасного света; , , , - интенсивность прошедшего света для красного (λ₁) и инфракрасного (λ₂) спектральных диапазонов, который поступает на два фотоприемника - компенсационного 1 и аналитического 2 каналов; l ₁, l ₂ - расстояние между излучателем и фотоприемниками 1 и 2; остальные обозначения те же, что и в системе уравнений (3) для пульсового оксиметра.

Полученная система уравнений (4) позволяет без привязки к пульсовым колебаниям уровня кровенаполнения сосудов получить величину SaO ₂ по традиционному соотношению [13]:

 

,

 

где ,  - оптические плотности на двух длинах волн, а M, N - постоянные коэффициенты для выбранных длин волн.

Выходной сигнал устройства первичной обработки будет характеризовать оптическое свойство исследуемой среды и этот сигнал не зависит от исходного потока, а определяется отношением коэффициентов экстинкции, которое отражает оптическое свойство среды на участке между фотоприемниками. Такая оптическая структура преобразователя дает возможность сформировать по электрическим сигналам фотоприемников на каждой длине волны два уравнения, позволяющих вычислить искомое оптическое свойство без привязки к пульсовым колебаниям, хотя пульсовые колебания могут быть получены по анализу частотных характеристик сигналов. Постоянство расстояния между фотоприемниками служит основой метрологического обеспечения измерений оптических свойств и, следовательно, степени насыщения гемоглобина крови кислородом.

«Двухцветные» оксигемометры обеспечивают проведение одного измерения в одной из изобестических точек гемоглобина (чаще всего около 805 нм), в которой поглощение (отражение) окисленной и восстановленной форм одинаково, а другого - в точке максимальной разницы между поглощением (отражением) гемоглобина и оксигемоглобина. Благодаря этому точность определения степени оксигенации гемоглобина с помощью «двухцветных» приборов выше, чем в случае «одноцветных». При регистрации прошедшего через кровь излучения используется соотношение

 

В_пр = а - в τ _λ, 1,2

 

где а и в- постоянные коэффициенты; τ _λ,1,2 =Ф_пр (λ ₂)/Ф_пр(λ ₁) - относительный коэффициент пропускания; Ф_пр (λ ₁), Ф_пр (λ ₂)-

интенсивности пропущенных кровью потоков на длинах волн λ ₁ и λ ₂. Для рассеянного кровью излучения степень насыщения определяется с помощью другого соотношения:

 

В_р = а’ - в’ ρ τ _λ,1,2,

 

где ρ _λ,1,2 = Ф_от (λ ₂)/Ф_от (λ ₁) - относительный коэффициент отражения; Ф_от (λ ₂), Ф_от (λ ₁) - интенсивности отражённых кровью потоков на длинах волн λ ₁ и λ ₂

Методы исследования оптических свойств биологических тканей разделяют по виду регистрируемого после взаимодействия лучистого потока (в проходящем, отраженном потоках), по числу спектральных диапазонов (одноволновые, двухволновые, колориметрические, спектральные), по способу канализации лучистой энергии от источника к исследуемому участку ткани и от него к ФЭП, по числу потоков энергии (однолучевые и двухлучевые). Выбор схемы измерений определяется исследуемым оптическим свойством ткани и расположением исследуемого участка. [9]