Уровень кислорода в крови можно контролировать с помощью внутрисосудистого оптоволоконного катетера. Эти катетеры используются для мониторинга насыщения кислородом смешанной венозной крови во время хирургической операции на сердце и в блоке интенсивной терапии. Используется катетер Свана–Ганца (Раздел 7.11), в котором заправленный вдоль потока оптоволоконный катетер располагается в правой яремной вене. Катетер вводится, пока его периферический конец не окажется в правом предсердии, после чего накачивается баллон. Быстрый поток крови переносит катетер в легочную артерию.
Измерения насыщения кислородом смешанной венозной крови показывают эффективность работы сердечно-легочной системы. Высокое насыщение кислородом на правой стороне сердца может указывать на врожденные пороки сердца и главных сосудов, либо на неспособность ткани метаболизировать кислород. Низкий уровень насыщения на левой стороне сердца может указывать на пониженную способность легких обогащать кровь кислородом, либо пониженную способность сердечно-легочной системы доставлять кислород от легких. Низкий уровень насыщения в артериальной системе указывает на ухудшение сердечного выброса или способности крови к транспортировке кислорода.
На рис. 10.6 показаны оптические спектры поглощения для оксигемоглобина, карбоксигемоглобина, гемоглобина и метгемоглобина. Проведение измерений возможно в красной области спектра, поскольку коэффициент поглощения света (коэффициенты экстинкции) кровью на этих длинах волн достаточно низок, так что свет может проходить через цельную кровь на такие расстояния, чтобы измерения могли быть реально осуществлены с помощью оптоволоконных катетеров. Заметим, что длина волны 805 нм дает возможность измерения, не зависящего от степени оксигенации. Эта «изосбестическая длина волны» используется для компенсации светорассеивающих свойств цельной крови и для нормализации сигнала измерения с учетом любых изменений уровня гемоглобина от пациента к пациенту.
Насыщение кислородом измеряется по отношению интенсивностей света, диффузно рассеянного назад, на двух длинах волн. Первая длина волны находится в красной области спектра (660 нм), а вторая - в инфракрасной (805 нм), и называется изосбестической точкой для Hb и HbO2 - Насыщение кислородом задается соотношением (10.1), в котором оптическая плотность крови – свет, прошедший через кровь – рассматривается в соответствии с законом Бэра. Для гемолизата крови (кровь с разрушенными красными клетками) справедлив закон Бэра (раздел 11.1), так что на любой длине волны поглощательная способность (оптическая плотность) определяется следующим образом (Allan, 1973):
где:
W=вес гемоглобина на единицу объема
L=длина оптического пути
a0 и аr = коэффициенты поглощения HbO2 и Hb
С0 и Сr = относительные концентрации НЬО2 и НЬ
По определению, (С0 + Сr =1.0). Рис. 10.6 показывает, что a0 и аr равны при длине волны 805 нм, называемой изосбестической. Если эту длину волны обозначить λ2, то:
где
Следовательно,
Если поглощение измерить на второй длине волны λ1, то насыщение кислородом будет определяться соотношением:
Здесь х и у – константы, зависящие только от оптических характеристик крови. На практике λ1 выбирается так, чтобы разность между a0 и аr была максимальной, что наблюдается при длине волны 660 нм (рис. 10.6).
На рис. 10.7 показано оптоволоконное устройство для измерения насыщения крови кислородом. Описываемое здесь устройство может также использоваться для измерения сердечного выброса с помощью вводимого красителя. Прибор состоит из красного и инфракрасного светодиодов и фотодатчика. Пластиковые оптические волокна адаптированы к данным длинам волн. На рис. 10.8 показан оптоволоконный оксиметрический катетер, направленный вдоль потока. После введения катетера, его надувная оболочка накачивается, и поток крови протягивает конец катетера через камеры сердца.
В дополнение к измерению насыщения крови кислородом по светоотражению, та же самая двухволновая оптическая схема может использоваться для измерения потока крови по разбавлению красителя. В качестве индикатора используется индоцианиновый зеленый, который поглощает свет на 805 нм (изосбестическая длина волны для оксигемоглобина). Эта система является двухволоконной. Свет на длине волны 805 нм излучается одним из волокон, рассеивается клетками крови, ослабляется красителем в крови и частично улавливается вторым волокном для измерения. Вторая длина волны, свыше 900 нм, используется для сравнения; в этой области свет поглощается красителем. Она используется для сравнения эффекта светорассеяния от потока. В сущности, двухлучевая пропорционально-измерительная система предназначена для измерения скорости потока крови по разбавлению красителя. Сердечный выброс определяется методом разбавления красителя, описанным в Разделе 8.2.
Существенное различие имеется между двухволновыми оксиметрическими системами и трехволновой системой Abbott Opticath® Oximetry System. Двухволновые системы при измерении in vivo степени насыщения крови кислородом ниже 80% имеют важное ограничение – зависимость интенсивности отраженного света от гематокрита пациента. Разные пациенты имеют индивидуальный уровень гематокрита. Гематокрит одного пациента не является постоянным и зависит от физиологического состояния организма. Катетерные оксиметры требуют частого обновления данных по гематокриту. Разработаны различные методики коррекции измерений насыщения кислородом, компенсирующие отклонения в уровне гематокрита. (Это ограничение в трехволновой системе Abbott Opticath® Oximetry System устранено.). Ошибочные результаты измерений возникают в ситуациях, когда гемоглобин связывается не с кислородом, а с другим веществом, таким как моноксид углерода (СО). Гемоглобин имеет высокое сродство к моноксиду углерода, так что кислород вытесняется. Оптические спектры HbO2 и HbCO перекрываются в районе 660 нм (рис. 10.6), что приводит к ошибкам в измерении SO2, когда в крови присутствует СО.
Разработан и протестирован трехволоконный внутрисосудистый катетер, который одновременно измеряет насыщение кислородом смешанной венозной крови и гематокрит (Mendelson, 1990). Система состоит из катетера с одним источником света и двух расположенных на неодинаковых расстояниях, ближнего и дальнего детектирующих волокон. Отношение интенсивностей рассеянного назад света на изосбестической длине волны (805 нм, измеряемых двумя детектирующими оптоволокнами (ИК-ближнее и ИК-дальнее), служи поправочным коэффициентом, который уменьшает зависимость результатов измерена насыщения кислородом от гематокрита.
Этот подход также обеспечивает возможность независимого определения гематокрита. Принцип измерения основан на том, что изменения рН и осмотической нагрузки в крови влияют на форму и объем красных клеток крови. Изменения объемов красных клеток крови (и, следовательно, гематокрита) влияют на соотношение интенсивностей ИК-ближнее/ИК-дальнее. Интенсивности отраженного света, измеряемые двумя детектирующими оптоволокнами определяются многократным светорассеянием более высокого порядка. Интенсивное отраженного света становится более резко выраженной с увеличением расстояния межлу источником и детектором. Подробное описание чрескожного измерения насыщении кислородом артериальной крови методом пульсовой оксиметрии представлено в Разделе 10.6.
