Конструктор, разрабатывающий датчики газового состава крови и вспомогательного оборудования к ним для их использования в клинических измерениях, сталкивается с серьезными проблемами. Была разработана оптическая флуоресцентная система мониторинга газового состава крови для реанимационных и хирургических отделений, использующая сенсор, вводимый пациенту с помощью катетера в лучевой артерии (Gehrich et al., 1986). Та же группа разработала экстракорпоральную схему для контроля эффективности оксигенатора и состояния пациента во время операций сердечно-легочного шунтирования с помощью оптической флуоресцентной системы мониторинга газового состава крови. Дальнейшее обсуждение касается разработки внутрисосудистой системы мониторинга газового состава крови, предназначенной для непрерывного контроля артериальных уровней рН, РСО2 и РО2 в реанимационных и хирургических отделениях. Флуоресцентный датчик газового состава крови вводится в сосудистую систему пациента посредством катетера в лучевой артерии. Этот подход обычно используется для отбора образцов крови на газовый состав и для измерения артериального давления (Раздел 7.1).
Рассмотрим конструкцию соответствующих биосенсоров для внутрисосудистой системы мониторинга газов крови, включающей в себя датчик газового состава, оптоэлектронный прибор и устройство для калибровки датчика (Gehrich et ah, 1986).
Конструкция биосенсора газов крови.Конструкционные требования к идеальному сенсору газового состава крови включают в себя следующее: (1) рабочий диапазон температур – от 15 до 42°С, (2) рН - от 6.8 до 7.8, (3) РСО2 - от 10 до 100 мм ртутного столба, и (4) РО2 -от 20 до 300 мм ртутного столба. Величина РО2 может достигать 500 мм ртутного столба для процедур, требующих высоких уровней дополнительного насыщения кислородом, таких как операции на открытом сердце. Сенсор должен быть сделан из стерилизуемых и биосовместимых материалов. Канцерогенность и токсичность должны быть исключены, а контактирующая с кровью поверхность не должна проявлять тромбогенных и гемолитических свойств.
Одним из важнейших требований к конструкции внутрисосудистого сенсора является его защита от веществ, присутствующих в крови в норме (например, от белков), а также от веществ, вводимых в кровь в ходе хирургических или терапевтических процедур (Regnault, Piccolo, 1987). Кроме того, сенсор не должен поглощать компоненты крови или адсорбировать их на своих чувствительных поверхностях. Биосенсор должен иметь небольшой диаметр, чтобы он мог быть введен в лучевую артерию. В то же время, кровяное давление должно измеряться через просвет датчика газового состава крови.
Особенности конструкции. На рис. 10.16 показана конструкция внутрисосудистого биосенсора газового состава крови. Он состоит из трех отдельных оптоволоконных датчиков и термопары, вплавленных в полимерную структуру, обеспечивающую необходимую прочность. Три оптоволоконных датчика, измеряющих соответственно рН, РСО2 и РО2, сделаны из сплавленных силиконовых волокон. Термопара обеспечивает прямое измерение температуры сенсора и крови у наконечника датчика. Измерения температуры важны, поскольку растворимости О2 и СО2 в крови зависят от температуры. Кроме того, флуоресцентные свойства реагентов слегка меняются при изменении температуры, и требуется температурная компенсация. Лабораторные измерения газового состава крови in vitro стандартизованы на нормальную температуру тела 37°С. В случае внутрисосудиетой системы измерения газового состава крови, температура в глубине тела пациента во время хирургической операции может меняться от гипотермии (например, 15°С) до гипертермии (например, 42°С). Оператор прибора должен знать температуру тела пациента, чтобы произвести коррекцию и получить значения газового состава, приведенные к стандартизованной температуре 37°С.
Существенным моментом является то, что катетер тонкий, поскольку внутрисосудистый датчик газового состава крови вставляется внутрь катетера для лучевой артерии, размер которого совместим с клинической практикой. То есть, при вставленном катетере должна иметься возможность измерять артериальное давление, а также отбирать образцы крови. Достаточный сигнал кровяного давления можно получить, используя катетер 20 калибра в лучевой артерии, если диаметр датчика газового состава крови составляет не более 600 мкм. Для датчика, показанного на рисунке 10.16 (т. е. включающего в себя три оптоволокна и термопару), это ограничение означает, что диаметр волокна должен быть не более 130 мкм.
Главной проблемой является выбор нетоксичных материалов, физическое строение и химический состав которых минимизирует образование кровяных сгустков на контактирующих с кровью поверхностях. Это важно для предотвращения засорения оставшегося просвета между датчиком и стенками катетера, которое может помешать измерению кровяного давления, а также для уменьшения риска образования эмбола, который может отслоиться от датчика/катетера и вызвать травму «ниже по течению», в капиллярной сети мозга или легких. Кроме того, образование тромба в точке расположения флуоресцентных сенсоров может повлиять на результаты самих измерений газового состава крови (Gehrich et al., 1986).
Конструкция флуоресцентного сенсора. Конструкция системы рассчитана на использование одного и того же оптоволокна как для доставки световой энергии к чувствительному красителю, так и для приема ее обратно от этого красителя. В использовании двух волокон нет необходимости, поскольку входной и выходной сигналы сенсора имеют разные длины волн. Проблема заключается в выборе красителей, которые имеют подходящие волновые характеристики поглощения и испускания, не токсичны, могут быть прикреплены к оптоволокну, достаточно чувствительны к измеряемым физиологическим параметрам, и имеют достаточно высокую интенсивность флуоресценции для обеспечения необходимого уровня сигнала в пределах всего физиологического диапазона измерений. Кроме того, флуоресцентные красители не должны быть подвержены влиянию лекарственных препаратов или компонентов крови, и должны быть достаточно стабильны для сохранения точности измерений в течение не менее чем трех дней. Поскольку этот краситель входит в состав одноразового изделия, необходимо также принять во внимание его стоимость и срок хранения. Наконец, краситель должен иметь такие динамические характеристики временного отклика, чтобы успевать отражать физиологические изменения параметров газового состава крови (Gehrich et al., 1986).
Конструкция измерительного прибора. Конструкция измерительного прибора для внутрисосудистой системы измерения газового состава крови состоит из трех частей (Gehrich et al., 1986). Первая часть представляет собой блок анализатора, вторая – модуль сопряжения с пациентом (МСП), и третья - дисплей. Осветитель состоит из широкополосной ксеноновой дуговой лампы (350 - 750 нм), коллимирующей системы линз, барабана со светофильтрами и собирающей линзы, которая направляет излучение ксенона на интерфейсные оптоволокна. Ксеноновая дуга и вращающийся барабан со светофильтрами синхронизованы по частоте вспышек 20 Гц. Пульсирующий источник света является более стабильным источником энергии, чем это может быть достигнуто для постоянного и непрерывного входного сигнала. Световое излучение с определенными волновыми характеристиками движется через волоконную оптику от источника к МСП и совмещается с интерфейсной оптикой с помощью линзы с переменным показателем преломления (GRIN или ЛППП).
С целью получения максимально возможного энергетического потока, получаемого и возвращаемого каждым из оптоволоконных сенсоров, был применен следующий конструкционный подход: (1) Число оптических соединений было сведено к минимуму. (2) Длина волокон (особенно тех, которые возвращают свет флуоресценции от сенсора), была сведена к минимуму. (3) Преобразователь оптического сигнала в электрический сигнал располагался на периферическом конце подсистемы, как можно ближе к пациенту. (4) В модуле сопряжение пациентом была установлена внешняя аналоговая схема, так чтобы аналоговый сигнал преобразовывался в цифровой и уплотнялся для его пересылки в блок анализатора по кабелю длиной около 4 метров. Все сигналы нормализовались по интенсивности, и при вычислении концентраций газов в крови использовался пропорционально-измерительный метод сравнения сигнала на активной длине волны флуоресценции с опорным сигналом.
Калибратор. Для систем измерения газового состава крови существенным моментом является необходимость независимой калибровки датчика перед его использованием в организме пациента. Она осуществляется с использованием тонометрических методик и заполненной жидкостью калибровочной кюветы, которая входит в комплект датчика (в нее должны быть постоянно погружены сенсоры). В калибровочном устройстве используются два баллона с газами, каждый из которых имеет определенный, контролируемый с высокой точностью уровень содержания кислорода и двуокиси углерода.