Вагоме місце в медицині критичних станів займає стеження за показниками функції зовнішнього дихання з ціллю контролю процесу газообміну між організмом та зовнішньою середою. У зв’язку з цим виникає необхідність в створенні приборів діагностики, з допомогою яких можливо було б з високою вірогідністю встановити степінь працездатності легень. Для попередження гіпоксемії у хворих під наркозом (під час операції) і в реанімаційних палатах необхідно контролювати концентрації кисню в артеріальній крові й вчасно повідомляти про її зниження.

На сьогоднішній день приладів для оперативного контролю змісту кисню в крові дуже мало. Найпоширенішим є пульсоксиметрія, але на жаль цей метод дає велику погрішність і не може використатися при деяких захворюваннях. Виникає проблема більш точного контролю насичення артеріальної крові киснем. Контрольованими показниками насичення є сатурація й парціальний тиск, які при нормальному газообміні повинні перебувати в межах 95-98% й 90-115мм рт.ст. відповідно. Тому розробка приладів оперативного контролю змісту кисню в крові є актуальним завданням.

Мета й завдання роботи

Мета роботи: промоделювати роботу приладу оперативного контролю концентрації кисню в артеріальній крові. Вимір процентного вмісту кисню і його контроль у гемоглобіні крові є необхідними при контролі життєдіяльності пацієнта в ході операції й у процесі відновлення.

Завданнями роботи є обґрунтування фотометричного методу, заснованого на фіксуванні відбитого потоку, розробка й обґрунтування структурної схеми, елементів конструкції приладу, а також підвищення точності виміру й швидкодії приладу.

Передбачувана наукова новизна

Наукова новизна полягає в підвищенні точності шляхом безпосереднього введення фотопотоку в сосуд через спеціальний катетер, використання відбитої складової потоку, облік таких факторів, що впливають, як зміна рН в крові й температура тіла людини.

Існуючи методи й розробки

Існують три методи визначення концентрації кисню в крові:

1. Лабораторний - вимагає інвазівного узяття зразка крові й не дає можливості досліджувати концентрацію в динамічному режимі. Для дослідження потрібний дуже тонкий шар крові, тому кров додатково розводять плазмою, що знижує точність визначення кисню.

2. Газохроматографічний - здійснюється за допомогою спеціального хроматографа. Також вимагає узяття проби крові, близько 0,1-0,2 мол, що досліджується протягом декількох хвилин. Достоїнством методу є висока точність - ±3%, однак газохроматограф являє собою установку лабораторного типу великих габаритів, що припускає його місцеве застосування тільки в лабораторії й непридатність для експрес-аналізу в аварійних ситуаціях, а також використання реактивів представляє незручності й вносить додаткову погрішність у результат виміру.

3. Фотометричний – метод пульсової оксиметрії.

Методика пульсової оксиметрії заснована на використанні принципів фотоплетизмографії, що дозволяють виділити артеріальну складову абсорбції світла для визначення оксигенації артеріальної крові. Відповідно до методики фото плетизмографії, ділянка тканин, у якому досліджується кровотік, розташовується на шляху променя світла між джерелом випромінювання й фотоприймачем датчика (рисунок 1). В цьому випадку сигнал з виходу датчика, пропорційний абсорбції світла, що проходить через тканини, включає дві складові: пульсуючий компонент, обумовлений зміною обсягу артеріальної крові при кожнім серцевому скороченні, і постійну “базову” складову, обумовлену оптичними властивостями шкіри, венозної й капілярної крові й інших тканин досліджуваної ділянки.

Рисунок 1 – Датчик пульсоксиметра

Шляхом аналізу форми сигналу фотоплетизмограмми (ФПГ) (рисунок 2) можна виділити його фрагменти, що відповідають моментам систолического викиду. Саме в ці короткі проміжки часу на вершині систоли вдається найбільше точно визначити сатурацію артеріальної крові киснем.

Рисунок 2 – Фотоплетизмограмма периферичного пульсу

Для визначення сатурації використається методика двопроменевої спектрофотометрії. Вимір абсорбції світла виробляється в моменти систологичного викиду, тобто в моменти максимуму амплітуди сигналу датчика для двох довжин хвиль випромінювання. Для цієї мети в датчику використаються два джерела випромінювання з різними спектральними характеристиками.

Для одержання найбільшої чутливості визначення сатурації кисню, довжини хвиль випромінювання джерел необхідно вибирати в ділянках спектра з найбільшою різницею в поглинанні світла оксигемоглобіном і гемоглобіном (рисунок 3). Цій умові задовольняють червоної й ближня інфрачервона області спектра випромінювання. При довжині хвилі випромінювання 660 нм (червона ділянка) гемоглобін поглинає приблизно в 10 разів більше світла, чим оксигемоглобін, а на хвилі 940 нм (інфрачервона ділянка) - поглинання оксигемоглобіну більше, ніж гемоглобіну. Для виміру концентрації всіх чотирьох форм гемоглобіну необхідно провести виміру поглинання світла, принаймні, на чотирьох довжинах хвиль.

Для цілей клінічної оксиметрии можна припустити, що концентрація фракцій СОНb і МеtНb мала в порівнянні з концентрацією НbОо2 і Нb, тоді функціональну сатурацію артеріальної крові можна визначити за допомогою вимірів тільки на двох довжинах хвиль світла.

Рисунок 3 - Залежність поглинання світла від довжини хвилі випромінювання для різних форм гемоглобіну

Пульсоксиметр складається з периферичного датчика, мікропроцесора, дисплея, що показує криву пульсу, значення сатурації й частоти пульсу. Структурна схема пульсоксиметра показана на рисунку 4. Більшість апаратів мають звуковий сигнал певного тону, висота якого пропорційна сатурації, що дуже корисно, якщо не видний дисплей пульсоксиметра. Датчик установлюється в периферичних відділах організму, наприклад, на пальцях, мочці вуха або крилі носа. У датчику перебувають два светодиода, один із яких випромінює видиме світло червоного спектра (660 нм), інший - в інфрачервоному спектрі (940 нм). Світло проходить через тканини до фотодетектора, при цьому частина випромінювання поглинається кров'ю й м'якими тканинами залежно від концентрації в них гемоглобіну. Кількість поглиненого світла кожної з довжин хвиль залежить від ступеня оксигенації гемоглобіну в тканинах.

Рисунок 4 –Структурна схема пульсоксиметра

Достоїнством методу є миттєве одержання результату, а недоліками - мала точність і велика кількість факторів, що впливають (температура, яскраве світло, вібрація й ін.), усунення яких пов'язана з ускладненням приладу або зовсім неможливо.

Отже, у підсумку одержуємо, що лабораторні методи забезпечують достатню точність, але дороги, габаритні й не можуть використатися для оперативного контролю над показниками. Фотометричні методи можуть використатися для оперативного контролю, але мають низьку точність і залежать від багатьох факторів.

Планований й отриманий власний результат

В результаті роботи планується розробити прилад для оперативного контролю над показниками, забезпечуючий точність порядку декількох відсотків.

Так як кров досить щільна субстанція, то при проходженні світла через пробу крові значна частина світлового потоку відбивається. Тому доцільніше визначати коефіцієнт відбиття, а не коефіцієнт поглинання. У випадку двокомпонентної сильно поглинаючого середовища виміру варто робити на двох довжинах хвиль оптичного випромінювання. У якості опорної вибирається ізосбестична довжина хвилі рівна 0,805 мкм, на який коефіцієнти поглинання гемоглобіну й оксигемоглобіну рівні (див. рисунок 3). Для цього випадку справедливі співвідношення:

c (l₂)L = 4p×g(l₂)×L/l₂ = WL[k₀(l₂)C₀ + k_g(l₂)C_g] = W×L×k(l₂) (1)

де c (l₂) – коефіцієнт поглинання на ізосбестичной довжині хвилі; γ(l₂) – коефіцієнт екстінкції на довжині хвилі: l₂; L – довжина оптичного шляха в поглинаючій речовині; l₂ – ізосбестична довжина хвилі; k₀(l₂)=k_g(l₂)=k(l₂) – коефіцієнти поглинання оксигемоглобіну й гемоглобіну на ізосбестичної довжині хвилі; С₀ та С_g– відносні концентрації оксигемоглобіну й гемоглобіну; W – загальна вага гемоглобіну на одиниці об'єму крові.

З останнього витикає:

W = 4p×g(l₂)/[k(l₂)× l₂] (2)

У якості основної вимірювальної довжини хвилі вибирається хвиля випромінювання l₁ = 0,66 мкм, на якій коефіцієнти поглинання гемоглобіну й оксигемоглобіну максимально відрізняються. З увагою до попереднього, для l₁ отримаємо:

(3)

Приймаючи до уваги, що С₀ + С_g = 1, відносна концентрація оксигемоглобіну визначається як

(4)

Тут значення коефіцієнтів екстінкціі на довжинах хвиль l₁ та l₂ визначається за результатами вимірів відбитих потоків випромінювання на цих довжинах хвиль. Коефіцієнти відбиття обчислюються як відношення відбитого потоку до падаючого на поверхню поглинаючого середовища. Розрахунок значень коефіцієнтів екстінкціі виконується по формулі:

(5)

де n – коефіцієнт переломлення плазми крові, а обчислюється по формулі:

(6)

Конструктивно прилад складається з оптичного й електронного вузлів. У схему оптичного вузла уведений спеціальний катетер, що вводиться безпосередньо в сосуд й з'єднаний із джерелами й приймачем за допомогою оптоволокна (рисунок 5).

Анімація роботи оптичного вузла приладу - 6 кадрів; 7 циклів; 60 Кб

Рисунок 5 - Анімація роботи оптичного вузла приладу

Висновок

У результаті використання нових схемних рішень й алгоритмів моделювання вдалося підвищити точність і швидкодію приладу.
На підставі результатів проведеного імітаційного моделювання можна судити про погрішності виміру, що буде становити, за нашими оцінками, 3 - 5%, а час одержання результатів - 2 з, що є гарним показником для приладів даного класу.
У ході виконання роботи намічені напрямки подальших досліджень: розрахунок енергетичних перетворень сигналу в оптичній системі, розробка програмного забезпечення, вибір компонентів електронного вузла, одержання остаточної схеми розроблювального пристрою.

Перелік джерел

1. Хламов М.Г., доц. Применение имитационного моделирования в дисциплине "Электронные системы" кафедра "Электронная техника"

2. Булатов М.И., Калинкин И.П. . Практическое руководство по фотометрическим методам анализа -5-е изд., перераб.- Л.:Химия, 1986. - 432 с. Устранение влияния мешающих веществ специальными приемами фотометрических измерений

3. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1989.- 360 с. Распространение волны излучения в реальной среде

4. К.Ю. ЗюСоЧун Влияние различных факторов на кислородный баланс организма пациента во время операции. www.rusanesth.com/Genan/St_11_6.htm

5. Д-р. Роб Лоу, Королевская больница, Бристоль, Великобритания Д-р. Х. Буквирва, больница Мулаго, Кампала, Уганда. Физиология транспорта кислорода. www.ua.arh.ru/06/06_05.htm

6. Литвинова А.В., «Разработка и обоснование структуры прибора оперативного контроля содержания оксигемоглобина в крови человека»

http:/masters.donntu.ua/2006/kita/litvinova/diss/index.htm

7. Е.Хилл, М.Д. Стоунхэм, Оксфорд, Великобритания, Практическое применение пульсоксиметрии.

8. Прикладная оптика: Учебник для оптических специальностей вузов. / М.И. Апенко, А.С. Дубовин, Г.В. Дурейко и др.; Под общ. ред. А.С. Дубовина, – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 480 с.

9. Скоков И.В. Расчет спектральных интерференционных приборов. – М.: Машиностроение, 1983. – 79 с., ил. – (Б-ка приборостроителя).

10 Имитационное моделирование в задачах оптического дистанционного зондирования / Креков Г.М., Орлов В.М., Белов В.В. и др. – Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1988. – 165 с.

11. Джон Г.Вебстер «Медицинские приборы. Разработка и применение», К.:Медторг, 2004.-620с.

12. Климков Ю.М. Основы расчета оптоэлектронных приборов с лазерами. – М.: Сов. радио, 1978. – 264 с.

13. Методы цифрового моделирования и идентификации стационарных случайных процессов в информационно-измерительных системах / А.Н. Лебедев, Д.Д. Недосекин, Г.А. Стеклова, Е.А. Чернявский. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988.- 64 с.

14. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. – М.: Мир, 1974. – 464 с.

15. Stoneham MD,Saville GM,Wilson IH.Knowledge about pulse oximetry among medical and nursing staff.Lancet 1994:334:1339-1342

Cсылки на внешние источники действительны на 15.05.2009г.

Початок _↑