Диагностические показатели газообмена и газов крови

Авторы: Калакутский Л.И., Манелис Э.С.
Источник: Калакутский Лев Иванович, Манелис Эммануил Соломонович. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учебное пособие . - Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т., 1999. - 161 с.

Клинический мониторинг газов крови включает контроль физиологических параметров, отражающих содержание кислорода и углекислого газа в крови. В качестве регистрируемых диагностических показателей используются величины напряжения кислорода и углекислого газа в крови, а также степень насыщения гемоглобина крови кислородом в артериальной или смешанной венозной крови.

Величина напряжения кислорода в крови ( РО2 ) определяется величиной парциального давления кислорода в воздухе, находящегося в соприкосновении с кровью, при котором между кислородом воздуха и кислородом, растворенным в крови, устанавливается равновесие. Значение РО2 характеризует способность крови растворять в себе то или иное количество кислорода, т.е. отражает процесс усвоения кислорода в легких.

Величина РО2 измеряется в единицах давления, чаще всего в мм рт.ст., аналогично величине парциального давления газа. Парциальное давление кислорода в воздухе определяется величиной барометрического давления воздуха и фракционной концентрацией кислорода в сухом воздухе.

Так, если при нормальном атмосферном давлении воздуха 760 мм рт.ст. доля кислорода в воздухе составляет 21%, то парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе равно 150 мм рт.ст.( из атмосферного давления дополнительно вычитается давление водяных паров, равное при температуре тела 370С - 47 мм рт.ст.).

Венозная кровь имеет величину РО2 значительно ниже, чем парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе, поэтому при прохождении крови через легкие она оксигенируется, то есть насыщается кислородом. Артериальная кровь имеет диапазон “нормальных” значений РО2 от 70 до 116 мм рт.ст. / 82 /.

Кислород в крови переносится в основном эритроцитами, вступая в химическую связь с гемоглобином ( Hb ). Соединяясь с гемоглобином, кислород образует легко диссоциирующее соединение оксигемоглобин ( НbО2 ):

О2 + Нb <=> НbО2

Окисление гемоглобина определяется напряжением растворенного в крови кислорода и характеризуется кривой диссоциации НbО2 (рис.38), представляющей собой зависимость величины степени насыщения гемоглобина крови кислородом (SаО2) от РО2.

Верхняя часть кривой, соответствующая нормальному насыщению артериальной крови кислородом (> 95%), показывает способность гемоглобина связывать большое количество О2 при значительных колебаниях РО2, например, при изменениях парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе, что встречается при ингаляции газовой смесью бедной кислородом.

Рисунок 38 – Кривые диссоциации оксигемоглобина

При РО2 <40 мм рт.ст. способность гемоглобина связывать О2 резко падает. В этом случае диссоциация облегчается, что характерно для процессов в тканях организма, активно потребляющих О2. В капиллярах это явление усиливается из-за увеличения напряжения СО2, что еще более облегчает отдачу О2 тканям.

Величина напряжения углекислого газа РСО2 в крови характеризует процесс выведения из организма СО2. РСО2 исчисляется аналогично величине РО2, в тех же единицах, чаще всего в мм рт.ст. Диапазон “нормы” для РСО2 составляет от 35 до 45 мм рт.ст. / 82 /.

Важной характеристикой оксигенации крови, широко используемой в системах клинического мониторинга, является величина степени насыщения гемоглобина крови кислородом - SаО2 (сатурация крови кислородом). Определение данного параметра имеет некоторые особенности, связанные с тем, что кровь взрослого человека кроме восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина содержит по крайней мере еще два вида гемоглобина, не участвующих в транспорте кислорода: метгемоглобин (MetНb) и карбоксигемоглобин (СОНb). Исключая патологические состояния, эти фракции содержатся в крови в достаточно низких концентрациях: МеtНb - 0,2 ...0,6%, СОНb - 0...0,8% (для некурящих лиц) / 83 /.

Существуют методики оценки газов крови нечувствительные к содержанию дисфункциональных фракций. В этом случае определяется величина так называемой функциональной сатурации крови кислородом:

SаО2 фун = ( [ НbО2 ] / ( [ НbО2 ]+ [ Нb] ))100 %,

где [...] - концентрация соответствующего вещества.

В расчете величины SаО2 не принимаются во внимание фракции гемоглобина не участвующие в транспорте кислорода.

Более точные данные о сатурации крови дают методики измерений, определяющие так называемую фракционную сатурацию крови кислородом :

SаО2фр = ([НbО2] / [НbО2]+[Нb]+[СОНb]+[МеtНb]))100%.

Следует отметить, что при резком увеличении доли дисфункциональных фракций гемоглобина, например, при отравлениях угарным газом, методики определения функциональной сатурации дают результаты, расходящиеся со значениями фракционной сатурации. В этом случае использование данных функциональной сатурации приводит к ошибочному представлению о степени оксигенации крови.

В анестезиологическом мониторинге наибольший интерес при анализе состава дыхательной газовой смеси представляет определение содержания СО2 в выдыхаемом воздухе.

С этой целью используется метод капнометрии, позволяющий в реальном масштабе времени вести измерение величины парциального давления СО2 (или значение объемной концентрации) в момент окончания выдоха - PETСО2. Значение содержания СО2 в выдыхаемом воздухе в этот момент времени соответствует величине PСО2 артериальной крови. Поэтому следящее измерение PETСО2, достигаемое гораздо более простыми техническими средствами чем PСО2 артериальной крови, обладает высокой диагностической ценностью для респираторного мониторинга.

Важную диагностическую информацию дает анализ, регистрируемой в реальном масштабе времени, физиологической кривой - капнограммы. Эта кривая представляет собой зависимость текущего значения PСО2 во времени. Капнограмма обычно отображается на графическом дисплее мониторного прибора, что позволяет определить параметры дыхания и визуально оценить динамику процесса дыхания.

Мониторинг степени насыщения гемоглобина крови кислородом

Спектрофотометрическая оксиметрия

Количественная спектрофотометрия крови основана на использовании закона Вееr-Lambert ( B-L ) для растворов, который связывает интенсивность падающего (Iпад) и интенсивность проходящего (Iпр) сквозь исследуемую пробу света (рис.39):

Iпр = Iпад ехр ( – А),

В исследовании оксигенации крови широко используется методика спектрофотометрии, заключающаяся в измерении поглощения света, прошедшего через пробу крови в различных спектральных диапазонах.

где А = k [С] d - величина абсорбции (поглощения);

здесь k - коэффициент молярной экстинкции, постоянный для каждого вещества и длины волны падающего света,

[C] - концентрация поглощающего свет вещества,

d - толщина слоя поглощающего вещества.

Поглощение света для постоянной толщины слоя исследуемого вещества, определяемого, например, размером измерительной кюветки, зависит от коэффициента экстинкции и пропорционально концентрации поглощающего вещества. Зависимость коэффициента экстинкции от длины волны падающего света образует спектр поглощения вещества.

Для n-компонентных растворов суммарная абсорбция Аj , измеренная на длине волны излучения l j может быть представлена в виде

Данное выражение позволяет определить концентрации веществ-компонентов раствора [Сi], измеряя величину абсорбции на различных длинах волн света, для которых коэффициенты экстинкции исследуемых веществ известны. В этом случае выражение для суммарной абсорбции дает систему уравнений (j = [1,m], где m - количество используемых в измерениях длин волн света), имеющее решение при m>n.

Исследование оптических свойств крови с целью определения степени ее оксигенации показывает, что каждая форма гемоглобина имеет свой собственный спектр поглощения (рис. 40). Так, НbО2 имеет минимум поглощения в красной части спектра, где поглощение редуцированного Нb выше; в инфракрасной (ИК) части спектра поглощения НbО2 становится несколько выше поглощения Нb. СОНb имеет резко падающую зависимость поглощения и в ИК области его поглощение незначительно. МеtНb имеет более сложную зависимость поглощения от длины волны излучения, однако можно выделить характерные участки спектра, где оптические свойства МеtНb существенно отличаются от свойств других форм гемоглобина.

Рисунок 40 - Зависимость поглощения света от длины волны излучения для различных форм гемоглобина

Для измерения концентрации всех четырех форм гемоглобина необходимо провести измерения поглощения света, по крайней мере, на четырех длинах волн.

Для целей клинической оксиметрии можно предположить, что концентрация фракций СОНb и МеtНb мала по сравнению с концентрацией НbО2 и Нb, тогда функциональную сатурацию артериальной крови можно определить с помощью измерений только на двух длинах волн света.

Для определения фракционной сатурации необходимо использовать четыре длины волны излучения, чтобы дополнительно найти концентрации МеtНb и СОНb.

Многолучевая спектрофотометрия проб крови используется в кюветных оксиметрах, применяемых в лабораторной практике.

Попытки непосредственного использования методики спектрофотометрии для построения мониторных приборов неинвазивного чрескожного измерения сатурации артериальной крови кислородом не привели к успеху из-за неустойчивости показаний таких приборов / 84 /. Это связано с тем, что при спектрофотометрии тканей, содержащих кровеносные сосуды (например, при просвечивании ушной раковины), не удается дифференцировать артериальный и венозный гемоглобин. Сильное влияние на результаты измерения сатурации абсорбционных свойств кожи и подлежащих тканей приводит к необходимости индивидуальной калибровки таких приборов для каждого пациента.

Прямая спектрофотометрия крови используется в волоконно- оптических оксиметрах, применяемых для оценки оксигенации венозной крови (SvО2). Для этой цели применяются специальные катетеры подключичной вены или легочной артерии, используемые обычно для определения параметров внутрисердечной гемодинамики, дополнительно содержащие два изолированных друг от друга оптических волокна. Рабочие концы волокон с оптическими насадками закреплены на торце катетера, размещаемом в исследуемом сосуде. Противоположные концы волокон соединены с оптоэлектронным преобразователем. Вход “передающего” волокна подключен к источнику зондирующего излучения, вход “приемного” - к фотоприемнику спектрофотометра. Таким образом, на выходе фотоприемника образуется сигнал, пропорциональный доле света, рассеянного от некоторого объема крови, окружающего кончик катетера в сосуде. Измерения проводят на трех длинах волн 800, 700, 670 нм, что повышает точность определения SvО2 / 85 /.

Мониторинг SvО2, осуществляемый вместе с определением сердечного выброса методом термодилюции, имеет высокую диагностическую ценность, особенно в грудной хирургии при выборе тактики лечения в послеоперационном периоде.

Чрескожная спектрофотометрия используется в церебральных оксиметрах для мониторинга величины региональной сатурации крови в сосудах мозга (rSO2). Согласно физиологическим данным, сосудистое русло каждого региона мозга на 75% состоит из венозных, 20% артериальных и 5% капиллярных сосудов. Таким образом, значения rSО2, получаемые при чрескожной спектрофотометрии, оказываются усредненными и наиболее близкими к сатурации оттекающей от мозга венозной крови.

Величина церебральной rSО2 является важным показателем адекватности церебральной оксигенации, так как одним из первых компенсаторных механизмов тканевого дефицита кислорода является усиление его экстракции из протекающей крови, что сопровождается быстрым снижением сатурации оттекающей венозной крови / 86 /.

Для определения rSО2 используют излучение ближней ИК области в диапазоне 650...1100 нм. ИК излучение глубоко проходит в ткани, что позволяет использовать датчики rSО2, накладываемые на кожу лба пациента. Мониторинг церебрального rSО2 имеет важное значение в кардиохирургии при проведении экстракорпарального кровообращения в условиях гипотермии, в нейрохирургии, трансплантологии.