Физиологические и медицинские аспекты объясняющие необходимость создания оксиметров

Введение

 

А.Л. Мясников еще в 1953 году сказал: «Вся жизнь человека проходит в игре сосудов». Поэтому чрезвычайно важно научиться контролировать деятельность сердечнососудистой системы человека.

В медицинской практике имеется целый ряд ситуаций, когда требуется срочное и достаточно точное определение содержания кислорода в крови. Для этих целей используют оксигемометры. Эти приборы могут применяться в анестезиологии для контроля содержания оксигемоглобина при подаче наркоза, в хирургии, реанимации, а также в кардиологии при лечении легочной и сердечной недостаточности, в педиатрии и гинекологии для предотвращения асфиксии у новорожденных, для коррегирования нарушений периферического кровотока и т.д. Также при использовании оксиметрии можно судить о качества работы анестезиолога.

Практика показывает, что для снижения риска хирургического лечения под общим обезболиванием, работу анестезиолога должны сопровождать приборы, гарантирующие точность выдачи команд наркозному аппарату и респиратору и фиксирующие динамику показателей газообмена. Список сведений, нужных анестезиологу конкретен: объемы вентиляции легких (ДО, МОД), давление в дыхательных путях, концентрации кислорода, закиси азота, летучих анестетиков на вдохе и выдохе, концентрация углекислого газа в течение дыхательного цикла, в том числе и в конце выдоха, данные о насыщении кислородом гемоглобина крови. Перечисленные сведения должны поступать в мониторном режиме с применением предпочтительно неинвазивных методик.

Фотооксигемометрия - это фотометрический метод непрерывного измерения степени насыщения крови кислородом, основанный на спектральных особенностях гемоглобина.

Также необходимо отметить, что весьма перспективным направлением является ‘отражательная’ оксиметрия. Родоначальники этого метода R. Brinkman и W.G. Ziljstra (1949 год) показали, что, регистрируя отраженное от кожи излучение различных длин волн, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, можно определять, и в течение длительного времени отслеживать, насыщение крови кислородом, а также решать ряд специфических задач, связанных с исследованием параметров локального кровотока.

Эта методика исключает необходимость взятия у пациента проб крови и позволяет проводить измерения практически на любом участке кожи. Последний факт дает существенные преимущества этой методики перед традиционными измерениями ‘на просвет’, где установка оптического датчика возможна только на участках тела относительно небольшой толщины (это либо пальцы рук, либо ушная раковина).

Следующим шагом усовершенствования приборов стало использование двухлучевого метода фотометрических исследований, основанного на использовании двух каналов в первичном измерительном преобразователе с совмещенными потоками излучения. Выходной сигнал устройства первичной обработки будет характеризовать оптическое свойство исследуемой среды и этот сигнал не зависит от исходного потока, а определяется отношением коэффициентов (отражения, пропускания или рассеяния), которое отражает оптическое свойство среды на участке между фотоприемниками.

Данная 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. Соответственно это позволяет экономить мощности, так как отпадает необходимость в больших статистических вычислениях.

Однако эффективность применения фотометрических методов зависит не только от уровня технической оснащенности. Большое значение здесь имеет разработка методического обеспечения, включающая характеристику методик фотометрических исследований и специфических особенностей их выполнения, способов подготовки объекта исследований к эксперименту, методов интерпретации получаемых результатов.

При интерпретации результатов исследований необходимо учитывать, что живой организм необычайно сложен. Состояние биологического объекта характеризуется параметрами физиологических процессов и медико-биологических показателей, число которых окончательно не установлено. Эти параметры и показатели неоднозначно определяют состояние БО, а большое число затрудняет (чаще исключает) возможность их одновременного фиксирования. Поэтому, выполнив процедуру измерения, можно оценить лишь вероятность того или иного состояния. Невозможно также однозначно предсказать результат внешних управляющих воздействий. Неоднозначность реакции на одни и те же внешние воздействия указывает на нестационарность самих объектов.

Фотометрические приборы и системы предназначены для определения фотометрических параметров (ФП) и медико-биологических показателей, связанных с ФП функциональными (часто нелинейными) зависимостями, в итоге характеризующих жизнедеятельность организма. Поэтому при оценке информативности измеряемых параметров приходится считаться с непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно воздействующих на биообъект.

Полный и точный учет самих факторов и результатов их воздействия не представляется возможным. Особую роль при исследовании высших биологических объектов играют психофизиологические факторы, значительно искажающие результаты исследований. Затруднено также получение точных математических зависимостей между регистрируемыми параметрами и соответствующими им медико-биологическими показателями, так как еще недостаточно изучены сами системы и не разработан адекватный математический аппарат, пригодный для их описания.

В данной работе ставится задача построения модели получения комплексного показателя двухволнового оксигемометра m 1=H(l 1)/H(l 2), в качестве которого используется отношение двух характеристических параметров H(l i)=U1 (l i)/U2 (l i), которые характеризуют оптические свойства среды в каждом i-м спектральном диапазоне, с возможностью наложения и снятия шумов.

двухволновой оксигемометр оптический шум

 

Кислород в крови

 

Одной из важнейших функций крови в организме является дыхательная функция, которая заключается в обеспечении кислородного обмена. Как известно, кислород находится в крови в двух состояниях, в особой лабильной непрочной связи с гемоглобином, т.е. в виде оксигемоглобина, и в свободном растворенном виде в плазме крови. Свободный и связанный кислород находится между собой в состоянии равновесия. С изменением количества свободного, соответственно меняется количество связанного кислорода, которого, в принципе, в 80 -100 раз больше, чем свободного.

Свободный растворенный кислород, как всякий растворенный в жидкости газ, развивает определенное напряжение. Содержание растворенного кислорода прямо пропорционально его напряжению и зависит от растворимости газа (т.е. коэффициента его абсорбции) и от температуры. Коэффициент абсорбции кислорода a в плазме при температуре 37 равен 0,023 (для СО2 a = 0,510), а напряжение кислорода в артериальной крови равно 90 мм. рт. ст.

Зная коэффициент абсорбции и напряжение газа, легко рассчитать объем физически растворенного газа. В 100 мл плазмы при парциальном напряжении О₂ в артериальной крови, равном 90 мм, должно содержаться в растворе 90*0,023*100/760 = 0,27 мл или 0,27 объемных процента кислорода. В цельной артериальной крови количества кислорода в растворе меньше - около 0,21 объемных процента. Чем выше напряжение свободного кислорода, тем большее количество молекул гемоглобина превращается в оксигемоглобин, тем выше степень насыщения крови кислородом.

Кислородные диссоциационные кривые для растворов гемоглобина отличаются от кривых для цельной крови (Рис. 1) S - образностью хода кривой диссоциации оксигемоглобина в цельной крови имеет большое физиологическое значение, так как такой ход обеспечивает высокое, близкое к полному, насыщение гемоглобина кислородом в легком и большую свободную отдачу кислорода уже при незначительном падении его напряжения в тканях.

Хилль дал математическое выражение зависимости между напряжением кислорода и степенью насыщения молекул гемоглобина

 

где: y - процент насыщения гемоглобина кислородом,- напряжение кислорода в плазме крови,- число молекул кислорода вступающее в соединение с одним молекулярным агрегатом гемоглобина,

Константа равновесия реакции n = 2,2 для цельной крови человека.

Как известно, гемоглобин представляет собой сложный белок с молекулярным весом 68000, состоящий из белка - глобина и простатической группы - гема. Одна молекула гемоглобина содержит 4 молекулы гема. Кислород присоединяется к атому закисного железа гема (что обозначается символом HbO2), но при этом не происходит потери электрона атомом железа. Оно остается двухвалентным.

Таким образом, переход гемоглобина в оксигемоглобин является не окислением, а своеобразным связыванием кислорода, которое, в отличие от истинного окисления (оксидации), называют оксигенацией. При настоящем окислении гемоглобина, например, превращения его в метгемоглобин, происходит переход двухвалентного железа в трехвалентное.

При максимальном насыщении гемоглобина кислородом, 4 молекулы кислорода приходятся на 1 молекулу белка. Один грамм гемоглобина при полном насыщении всех его групп, связывающих кислород, присоединяет 1,34-1,36 мл кислорода. Кровь человека в норме содержит около 15 г. гемоглобина на 100 мл. Таким образом, полностью насыщенная артериальная кровь содержит в химической связи около 20 мл кислорода в 100 мл крови. Количество кислорода, находящегося в связи с гемоглобином в 100 мл полностью артериализованной крови, является мерой кислородной емкости крови.

Кислородная емкость крови зависит от количества активного гемоглобина в крови. Она уменьшается при анемиях, а также при отравлении ядами, лишающими гемоглобин способности связывать кислород.

Обычная артериальная кровь насыщена кислородом не полностью, а на 95-97%, т.е. имеется небольшое недонасыщение. Поэтому за нормальное содержание кислорода в артериальной крови обычно принимают не 20, а 19 объемных процентов. При вдыхании чистого кислорода в течение 2 - 3 минут насыщение крови кислородом повышается, доходит практически до 100%, т.е. до полного насыщения.

Таким образом, в отношение кислорода в крови различают следующие понятие: напряжение кислорода (выражаемое в мм ртутного столба), содержание кислорода - общего, связанного и свободного (выражаемое обычно в объемных процентах), кислородную емкость крови (выражаемую в объемных процентах), содержание гемоглобина (в граммах на 100 мл крови или в единицах Сали), степень насыщения крови кислородом или степень артериализации (выражаемую в процентах к полному насыщению кислородом).

Понятие насыщения крови кислородом можно определить как выраженное в процентах отношение количества связанного кислорода к кислородной емкость крови - (связанный кислород / кислородная емкость) * 100%.

В частности, нередко смешивают понятие степень или процент насыщения (т.е. процент оксигемоглобина по отношению ко всему гемоглобину) с процентным содержанием гемоглобина в крови. Цифра содержания гемоглобина в крови (например, 14 г. на 100 мл или 80%, по Сали) говорит лишь о кислородной емкости крови, но не о степени насыщения ее кислородом.

Проблема кислородного голодания организма, проблема гипоксии, имеет огромное значение и в клинике и в практической физиологии человека. Развитие совершенных методов изучения степени насыщения крови кислородом является важным вкладом в изучение кислородного голодания организма и в разработку способов борьбы с ним.

Формы кислородного голодания многообразны. Понятие гипоксии шире, чем понятие гипоксемии. Под гипоксемией надо понимать снижение содержания кислорода, или напряжения кислорода, или того и другого вместе, в крови.

На конференции по проблеме кислородной недостаточности проходившей в 1948 г. в Киеве, была принята следующая классификация форм кислородного голодания, и которая почти совпадает с современной классификации.

. Гипоксическая гипоксия: а) от понижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе; б) в результате затруднения проникновения кислорода в кровь через дыхательные пути; в) вследствие расстройства дыхания.

. Гемическая гипоксия: а) анемический тип, возникающий в результате уменьшения содержания гемоглобина в крови; б) гипоксия при инактивации гемоглобина.

. Циркуляторная гипоксия: а) застойная форма, б) ишемическая форма. Особой формой циркуляторной гипоксии является гипоксия при некоторых врожденных пороках сердца, при которых венозная кровь примешивается к артериальной.

. Тканевая (гистотоксическая) гипоксия. Это форма гипоксии возникает в результате нарушения окислительных ферментов ядами, как цианиды, наркотики и т.п.

Снижение насыщения кислородом артериальной крови типично для видов гипоксической гипоксии и для многих форм циркуляторной гипоксии, при которых нарушается тонкая координация между кровообращением и вентиляцией альвеол, а также при таких пороках сердца, при которых венозная кровь примешивается к артериальной. В изучении всех этих форм кислородного голодания наличие метода бескровного и непрерывного измерения насыщения крови кислородом приобретает огромное значение. Таким методом является метод оксигемометрии. [1]

 

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]

Что такое LabVIEW

 

В моей выпускной квалификационной работе поставлена задача моделирования фотооксигемометрического комплекса, которую было решено реализовать с использованием программного пакета графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). Выбор был сделан в пользу данного программного продукта, в связи с тем, что при своей подобности средам языков C и BASIC, он выгодно отличается наглядностью создаваемых программ, а также наличием обширной библиотеки функций и процедур, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерения, сбора и обработки данных. Кроме того, LabVIEW включает традиционные средства разработки и отладки программ, облегчающие их разработку: введение точки останова, «оживление» выполнения для просмотра движения данных, пошаговый режим отладки. А также используются наиболее перспективные технологии автоматизации проектирования и сопровождения программных систем: объектно-ориентированный подход и потоковое программирование, принципы модульности и иерархии, использование языка визуального (графического) программирования, что позволяет создавать программы в виде наглядных диаграмм.

В основе создания языка LabVIEW положена концепция виртуального инструмента, которая является перспективным направлением в области автоматизации научного, промышленного эксперимента и управления технологическими процессами.

Виртуальный инструмент (ВИ) - это набор аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально для него разработанным обычным электронным прибором.

ВИ имеет три основные особенности:

1) ВИ имеет интерактивный интерфейс пользователя, названный передняя панель, поскольку он имитирует панель физического инструмента. Передняя панель может содержать графические изображения кнопок, клавиш, графических устройств, регуляторов и других органов управления и индикации. Возможен ввод данных мышью и с помощью клавиатуры и наблюдение за результатом на экране компьютера.

2) ВИ получает инструкции из блок-диаграммы, которая создается на языке графического программирования. Блок-диаграмма представляет графическое решение задачи программирования, являясь при этом исходным «текстом» для ВИ.

3) ВИ имеет иерархическую и модульную структуру. Это позволяет использовать любой ВИ как программу верхнего уровня, или как подпрограмму внутри других программ или подпрограмм. ВИ, функционирующий внутри другого ВИ, называется субВИ.

 

Описание полученной модели

 

Нами на данном этапе разработан программный продукт, с помощью которого путем нахождения отношения сигналов, которыми являются смоделированные пульсовые кривые, это отношение моделирует вышеописанные фотометрические параметры H(l), характеризующие оптическое свойство исследуемой среды, а в результате второго деления находится комплексный показатель m1=H(l1)/H(l2).

Дополнительно в модели произведен учет помехи, которой в реальности соответствует так называемая - фоновая засветка. Помеха сформирована в виде синусоиды с меняющейся от периода к периоду амплитудой, ее изменения происходят случайным образом в задаваемом диапазоне, который можно варьировать на усмотрение пользователя. Таким образом, можно набирать статистику, с помощью которой возможно выяснить пределы измерения с определенной погрешностью… установить сигнал при помехе превышающей допустимый уровень и многое другое…

Результатом работы программы на данный момент является формирование таблицы данных показателя m и вывод семейства графиков:

4) графики 4 генерируемы сигналов (signal1, signal2, signal3, signal4);

5) график моделируемой прибавляемой помехи (noise+);

6) график моделируемой вычитаемой помехи (noise -);

7) график сигнал + помеха (signal + noise);

8) график сигнал + помеха - помеха (signal + noise - noise)

9) график комплексного показателя m;

В будущем возможна организация подсоединения датчиков непосредственно к компьютеру, т.е. вместо моделированных сигналов можно будет обрабатывать реальные, тем самым можно будет выйти на решение проблем настройки, а возможно и калибровки прибора.

 

 

Заключение

 

При интерпретации результатов исследований необходимо учитывать, что живой организм необычайно сложен. Состояние биологического объекта характеризуется параметрами физиологических процессов и медико-биологических показателей, число которых окончательно не установлено. Эти параметры и показатели неоднозначно определяют состояние, а большое число затрудняет (чаще исключает) возможность их одновременного фиксирования. Поэтому, выполнив процедуру измерения, можно оценить лишь вероятность того или иного состояния. Невозможно также однозначно предсказать результат внешних управляющих воздействий. Неоднозначность реакции на одни и те же внешние воздействия указывает на нестационарность самих объектов. Интерпретация получаемых результатов затрудняется еще и потому, что разного рода патологические явления, возникающие в тех или иных системах организма (например, в органах и тканях человека), могут рефлекторно влиять на другие процессы, в которых патология отсутствует, и искажать результат измерения.

Фотометрические приборы и системы предназначены для определения фотометрических параметров (ФП) и медико-биологических показателей, связанных с ФП функциональными (часто нелинейными) зависимостями, в итоге характеризующих жизнедеятельность организма. Поэтому при оценке информативности измеряемых параметров приходится считаться с непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно воздействующих на биообъект.

Полный и точный учет самих факторов и результатов их воздействия не представляется возможным. Особую роль при исследовании высших биологических объектов играют психофизиологические факторы, значительно искажающие результаты исследований. Затруднено также получение точных математических зависимостей между регистрируемыми параметрами и соответствующими им медико-биологическими показателями, так как еще недостаточно изучены сами системы и не разработан адекватный математический аппарат, пригодный для их описания.

Индивидуальный разброс фотометрических параметров, их внутригрупповая изменчивость приводят к необходимости фиксировать и оговаривать группу исследуемых объектов, учет генетических эффектов - вводить возрастные группы для исследований одних и тех же проявлений, а наличие большого числа механизмов регуляции с разными постоянными времени регулирования - контролировать продолжительность экспериментов. Для получения достоверных результатов требуется собирать и обрабатывать огромный статистический материал, получение которого связано со значительными затратами времени и труда на исследования и обработку результатов.

Фотометрические исследования биологических объектов целесообразно проводить в условиях их реального существования, без ограничения подвижности. Закон поведения организма в большинстве случаев заранее неизвестен;

Сложность проведения фотометрических исследований связана и с тем, что измерительная информация в общем случае заключена в различных потоках излучения (отраженном, рассеянном, поглощенном, люминесцентном и т.д.) разных спектральных диапазонов; диапазон изменения интенсивности регистрируемых потоков, как и диапазон возможных значений фотометрических параметров, очень широк при относительно высоком уровне шумов как за счет работы других подсистем организма (внутренние шумы), так и за счет наводимых из внешней среды (внешние шумы); частотный спектр выходных сигналов обычно достаточно широк: от области инфранизких частот до сотен герц и более.

Роль аппаратных средств при выполнении клинико-диагностических исследований трудно переоценить. От клинико-физиологических и клинико-лабораторных анализов в большой мере зависят правильность постановки диагноза заболевания и успех лечебных воздействий, своевременное проведение профилактических мероприятий и сокращение времени реабилитации, качество курортных и бальнеологических процедур, своевременность санитарно-эпидемиологического контроля и т.д. Среди разнообразных физических и физико-химических методов исследования, широко используемых в клинической практике, фотометрические методы занимают одно из ведущих мест.

За последние несколько лет во всех высокоразвитых странах были приняты «Стандарты интраоперационного мониторинга», обязательные для выполнения при любом виде анестезиологического пособия. Основным прибором «Стандартов» стал пульсовой оксиметр (ПО) - прибор для неинвазивного непрерывного определения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом (SaO₂) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) с возможностью визуальной оценки величины и формы периферической плетизмограммы. Популярность ПО в основном связана с тем, что они просты и удобны в обращении, портативны, безопасны для больного и врача, не требуют предварительной калибровки, быстро после подключения начинают измерение и информация, получаемая с их помощью, достаточна для быстрой оценки изменений вентиляции и гемодинамики. Наличие у большинства ПО звуковой и световой сигнализации, срабатывающей при выходе значений за установленные вручную или автоматически пределы, повышает безопасность пациента, а возможность запоминания информации позволяет оценить динамику сатурации частоты пульса и амплитуды плетизмограммы.

 

Список литературы

 

1. Крепс Е.М. Оксигемометрия Л. 1959 г. С. 222

2. (http://rhl.mega.ru/doc001.htm) (Левитэ Е.М. (анестезиолога профессор кафедры анестезиологии и реаниматолигии ММСИ, доктор медицинских наук) ГКБ №33 (гл. врач к.м.н. Колобов С.В.), Москва)

3. Палеев Н.Р., Каевицер И.М. Атлас гемодинамических исследований в клинике внутренних болезней (бескровный метод) М., Медицина, 1975, 240 с.

4. Инструментальные методы исследования сердечно - сосудистой системы (справочник). Под ред. Т.С. Виноградовой. - М.: Медицина, 1986. - 416 с.

5. Чигирев Б.И. Методы медико-биологических исследований, Ленинград, РИО ЛЭТИ, 1982.

6. Мошкевич Виктор Семенович. Фотоплетизмография. (Аппаратура и методы исследования). М. Медицина, 1970. - 208 с.

7. Орлов В.В. Плетизмография. (Методы и применение в экспериментальных и клинических исследованиях). М-Л., АН СССР, 1961, 254 с. (Ин-т физиологии им. И.П. Павлова).

8. Е.П. Попечителев, Б.И. Чигирев. Двухлучевые фотометрические системы для клинико-физиологических исследований: Учеб. пособие. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1991. - 224 с.

9. «Ackerman S., Weith P. Knowing Your Pulse Oximetry Monitors // Med. Elektrik. - 1995. - №1.-Р.82-86.»

10.Волков В.Я., Иванов В.П., Стерлин Ю.Г. Пульсовая оксиметрия: достижения и перспективы // Мед. Техника, 1993, №4, стр. 27-31.

11.Волков В.Я., Гладков Ю.М., Завадский В.К., Иванов В.П. Принципы и алгоритмы определения оксигенации крови по изменениям пульсоксиметра. // Мед. Техника, 1993, №1, стр. 16-21.

12. Кузнецова С.Н., Чигирев Б.И. Неивазивный метод пульсовой и традиционной фотооксиметрии // Известия ГЭТУ, 1996, вып. 491, стр. 55-58.

13. Кузьмич В.В., Жаров В.П. Основные принципы и особенности транскутанной «отражательной’’ оксиметрии // Мед. Техника, 1993, №3, стр. 36-42.

14. Леонов Г.Н., Филипповский В.В., Мусийчук Ю.И., Свидлер В.Н., Карпов А.В., Баркан М.В. Неинвазивное определение оксигемоглобина в артериальной крови. // Мед. Техника, 1992, №5, стр. 12-14.

15. Перов С.Н., Коротков Н.П., Куземко В.В., Захаров С.Д., Симанов В.А. Принципы оптической оксигемометрии в системах экстракорпорального кровообращения // Мед. Техника, 1992, №5, стр. 18-21.

16. Стерлин Ю.Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров // Мед. Техника, 1993, №6, стр. 26-30.

Введение

 

А.Л. Мясников еще в 1953 году сказал: «Вся жизнь человека проходит в игре сосудов». Поэтому чрезвычайно важно научиться контролировать деятельность сердечнососудистой системы человека.

В медицинской практике имеется целый ряд ситуаций, когда требуется срочное и достаточно точное определение содержания кислорода в крови. Для этих целей используют оксигемометры. Эти приборы могут применяться в анестезиологии для контроля содержания оксигемоглобина при подаче наркоза, в хирургии, реанимации, а также в кардиологии при лечении легочной и сердечной недостаточности, в педиатрии и гинекологии для предотвращения асфиксии у новорожденных, для коррегирования нарушений периферического кровотока и т.д. Также при использовании оксиметрии можно судить о качества работы анестезиолога.

Практика показывает, что для снижения риска хирургического лечения под общим обезболиванием, работу анестезиолога должны сопровождать приборы, гарантирующие точность выдачи команд наркозному аппарату и респиратору и фиксирующие динамику показателей газообмена. Список сведений, нужных анестезиологу конкретен: объемы вентиляции легких (ДО, МОД), давление в дыхательных путях, концентрации кислорода, закиси азота, летучих анестетиков на вдохе и выдохе, концентрация углекислого газа в течение дыхательного цикла, в том числе и в конце выдоха, данные о насыщении кислородом гемоглобина крови. Перечисленные сведения должны поступать в мониторном режиме с применением предпочтительно неинвазивных методик.

Фотооксигемометрия - это фотометрический метод непрерывного измерения степени насыщения крови кислородом, основанный на спектральных особенностях гемоглобина.

Также необходимо отметить, что весьма перспективным направлением является ‘отражательная’ оксиметрия. Родоначальники этого метода R. Brinkman и W.G. Ziljstra (1949 год) показали, что, регистрируя отраженное от кожи излучение различных длин волн, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, можно определять, и в течение длительного времени отслеживать, насыщение крови кислородом, а также решать ряд специфических задач, связанных с исследованием параметров локального кровотока.

Эта методика исключает необходимость взятия у пациента проб крови и позволяет проводить измерения практически на любом участке кожи. Последний факт дает существенные преимущества этой методики перед традиционными измерениями ‘на просвет’, где установка оптического датчика возможна только на участках тела относительно небольшой толщины (это либо пальцы рук, либо ушная раковина).

Следующим шагом усовершенствования приборов стало использование двухлучевого метода фотометрических исследований, основанного на использовании двух каналов в первичном измерительном преобразователе с совмещенными потоками излучения. Выходной сигнал устройства первичной обработки будет характеризовать оптическое свойство исследуемой среды и этот сигнал не зависит от исходного потока, а определяется отношением коэффициентов (отражения, пропускания или рассеяния), которое отражает оптическое свойство среды на участке между фотоприемниками.

Данная 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. Соответственно это позволяет экономить мощности, так как отпадает необходимость в больших статистических вычислениях.

Однако эффективность применения фотометрических методов зависит не только от уровня технической оснащенности. Большое значение здесь имеет разработка методического обеспечения, включающая характеристику методик фотометрических исследований и специфических особенностей их выполнения, способов подготовки объекта исследований к эксперименту, методов интерпретации получаемых результатов.

При интерпретации результатов исследований необходимо учитывать, что живой организм необычайно сложен. Состояние биологического объекта характеризуется параметрами физиологических процессов и медико-биологических показателей, число которых окончательно не установлено. Эти параметры и показатели неоднозначно определяют состояние БО, а большое число затрудняет (чаще исключает) возможность их одновременного фиксирования. Поэтому, выполнив процедуру измерения, можно оценить лишь вероятность того или иного состояния. Невозможно также однозначно предсказать результат внешних управляющих воздействий. Неоднозначность реакции на одни и те же внешние воздействия указывает на нестационарность самих объектов.

Фотометрические приборы и системы предназначены для определения фотометрических параметров (ФП) и медико-биологических показателей, связанных с ФП функциональными (часто нелинейными) зависимостями, в итоге характеризующих жизнедеятельность организма. Поэтому при оценке информативности измеряемых параметров приходится считаться с непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно воздействующих на биообъект.

Полный и точный учет самих факторов и результатов их воздействия не представляется возможным. Особую роль при исследовании высших биологических объектов играют психофизиологические факторы, значительно искажающие результаты исследований. Затруднено также получение точных математических зависимостей между регистрируемыми параметрами и соответствующими им медико-биологическими показателями, так как еще недостаточно изучены сами системы и не разработан адекватный математический аппарат, пригодный для их описания.

В данной работе ставится задача построения модели получения комплексного показателя двухволнового оксигемометра m 1=H(l 1)/H(l 2), в качестве которого используется отношение двух характеристических параметров H(l i)=U1 (l i)/U2 (l i), которые характеризуют оптические свойства среды в каждом i-м спектральном диапазоне, с возможностью наложения и снятия шумов.

двухволновой оксигемометр оптический шум

 

Физиологические и медицинские аспекты объясняющие необходимость создания оксиметров

 

Кислород в крови

 

Одной из важнейших функций крови в о