Спектрофотометрические сенсоры как один из видов оптических сенсоров. Фотоплетизмографы. Оксиметры и пульсоксиметры

18.3.3. Принцип действия пульсоксиметров

Оксиметр определяет среднюю насыщенность кислородом всей крови, которая находится в исследуемом участке тела, например в пальце. Но оказалось, что врачей больше интересует насыщенность кислородом артериальной крови, так как именно она свидетельствует об эффективности работы дыхательной системы человека. Решить эту задачу, да еще и соединить ее с выполнением задач, решаемых и фотоплетизмографами, удалось в пульсоксиметрах [ [ 8 ] , [ 9 ] , [ 25 ] , [ 103 ] ].

Как и оксиметры, они являются спектрофотометрическими двухволновыми сенсорами. Свет от двух светодиодов, излучающих свет один – на длине волны , другой – на длине волны , пропускают сквозь исследуемый участок тела (тоже чаще всего палец). Оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин очень по-разному поглощают свет с длиной волны 660 нм. Фотодиод принимает свет на противоположной стороне пальца. Как и в фотоплетизмографе, сигналы на обеих длинах волны имеют не только постоянную, но и переменную составляющие, обусловленные пульсированием крови и дыханием. Анализируя сигнал в опорном канале, как выше описано для фотоплетизмографа, пульсоксиметр может выполнять все те задачи, что и фотоплетизмограф. Кроме того, он еще определяет и насыщение кислородом артериальной крови.

Если и – молярные концентрации восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина в диастоле (фаза наиболее низкого артериального давления), то интенсивность света, который проходит на фотодиод в опорном и измерительном каналах, можно вычислить соответственно по формулам (18.10) и (18.11).

В фазе систолы, когда артериальное давление максимальное, молярные концентрации из-за притока артериальной крови временно возрастают соответственно на величину и . Следовательно, соотношение

( 18.16)

Приросты и составляют обычно лишь несколько процентов от и . Поэтому модули прироста интенсивности сигналов и в опорном и измерительном каналах можно приблизительно вычислить, дифференцируя выражения (18.10) и (18.11) по переменным и . Поделив модули прироста на величину соответствующих интенсивностей и учитывая то, что на длине волны поглощение оксигемоглобина и восстановленного гемоглобина приблизительно одинаково , а на длине волны поглощение оксигемоглобина намного меньше , получим

( 18.17)

Пользуясь выражениями (18.16) и (18.17), легко найти, что

( 18.18)

Полученной формулой, как правило, и пользуются в пульсоксиметрах, хотя она и является приблизительной.

Благодаря дополнительной возможности определения насыщения артериальной крови кислородом осуществляется более надёжный контроль процесса дыхания. Поэтому после появления на рынке пульсоксиметров врачи стали отдавать им предпочтение перед фотоплетизмографами при оснащении операционных и реанимационных палат в больницах.

18.3.4. Примеры пульсоксиметров

Ныне промышленность выпускает десятки разных вариантов пульсоксиметров. Некоторые из них показаны на рис. 18.9. Цифровой пульсоксиметр МАРГ 10-01 "Микролюкс" К1 предназначен для установки рядом с больным в операционных, послеоперационных, реанимационных залах и в палатах интенсивной терапии. Его размеры 160x140x60 мм. Выносная оптоэлектронная головка смонтирована в "клипсе", которая одевается как не сильно сжимающая "прищепка" на палец пациента. Через заданные врачом промежутки времени пульсоксиметр сам автоматически измеряет частоту пульса и насыщенность артериальной крови кислородом и выводит их значения на яркий цифровой дисплей. Яркость светового столбика посредине дисплея модулируется пульсовой волной, так что на расстоянии нескольких метров можно наглядно видеть наличие и оценивать наполнение пульса. По желанию пользователя пульсовые волны могут сопровождаться негромким звуковым сигналом. А в случае прекращения пульса, выхода его частоты или насыщения артериальной крови кислородом за указанные пределы, сенсор может подавать громкую звуковую тревогу. Он питается через адаптер от стандартной электросети. Его можно питать также от встроенного аккумулятора, рассчитанного на 6 часов работы, и тогда он может применяться в реанимационном автомобиле (см. Интернет сайт http://www.microlux.ru/oxilux.htm).

Цифровой пульсоксиметр -монитор 504 DX имеет размеры 144x178times;122 мм, современный дизайн, легко понятную систему меню, полный набор функций звуковых и визуальных тревожных сообщений. Он обеспечивает круглосуточный и ночной мониторинг, в том числе и за малыми детьми (при использовании сменной выносной оптоэлектронной головки детского размера). По своему желанию пользователь может купить дополнительно портативный принтер, который будет документировать результаты измерения на протяжении заданного времени, в том числе с построением графиков, таблиц, отчетов заданного формата. Насыщение крови кислородом измеряется в диапазоне от 40 до 99 % с точностью 2%, частота пульса – в диапазоне от 20 до 300 уд./мин. На дисплей может быть выведена пульсовая волна и текстовые сообщения на одном из многих запрограммированных языков. Имеются порт RS-232, аналоговый и цифровой выходы.

Рис. 18.9. Некоторые типы интеллектуальных пульсоксиметров

Пульсоксиметр AVANT 2120 фирмы NONIN (США), кроме частоты пульса и насыщения артериальной крови кислородом, может автоматически измерять также артериальное давление. Для этого он оснащен манжетой, портативным управляемым компрессором и манометром.

А пульсоксиметры серии NONIN 9840 той же фирмы могут дополнительно измерять парциальное давление СО₂ в воздухе, который выдыхает пациент.

Портативный пульсоксиметр 503DX miniSPO2t размером 146x91x33 мм предназначен для применения службами скорой помощи, в клиниках и в частных практиках. Благодаря универсальному набору оптоэлектронных головок, он позволяет обследовать людей любого возраста, обеспечивать круглосуточный мониторинг.

А наименьший в мире пульсоксиметр ONYX 9500 фирмы Nonin, показанный на рис. 18.9 внизу справа, можно на всякий случай всегда носить с собой в кармане или в сумочке. Он также позволяет быстро делать разовые измерения частоты пульса и насыщенности артериальной крови кислородом, проводить кратковременный мониторинг состояния больного (дело в том, что энергии встроенного миниаккумулятора хватает в нем лишь на 1 час работы).

В пульсоксиметрах ОП-32А производства ООО НЕЙРОСОФТ дополнительно отслеживается периферийная гемодинамика, рассчитывается количество артериальной крови, которая проходит через поперечное сечение оптоэлектронной головки за один удар пульса или за 1 мин.

Краткие итоги

Одним из широчайших классов сенсоров являются оптические сенсоры, в которых первичную информацию об исследуемом объекте (процессе) собирает и доставляет свет, а принцип действия основан на тех или иных законах оптики. Свет способен переносить очень значительные потоки информации при малой мощности, практически не влияя на состояние объекта, не повреждая его, может проникать в объект на значительную глубину, действовать дистанционно. Оптические сенсоры, в которых основную информацию об объекте несут изменения в спектральном распределении интенсивности света, называют спектрофотометрическими.

Действие спектрофотометрических сенсоров основано на том, что большинство веществ имеют свои специфические спектры излучения и поглощения. Поэтому при прохождении света сквозь вещество его спектральный состав изменяется. По этим изменениям можно выявить присутствие контролируемого вещества (аналита), а измеряя величину изменений спектральных интенсивностей количественно, – вычислить концентрацию аналита.

Основной закон прохождения света сквозь вещество в дифференциальной форме имеет вид: . Ослабление света может происходить как за счет поглощения, так и за счет рассеяния света веществом. Коэффициент ослабления света веществом в общем случае зависит от длины волны света и является аддитивным: , где – молярные коэффициенты поглощения (рассеяния) вещества-растворителя и 1-го, 2-го, ... , -го красителей соответственно; – их молярные концентрации. Интегральный закон прохождения света через слой вещества: .

Если раньше для выделения требуемых узких спектральных интервалов в спектрофотометрических сенсорах нужны были габаритные оптические призмы или дифракционные решетки, то сейчас эти вопросы могут решаться применением лазерных диодов, излучающих почти монохроматический свет, узкополосных светодиодов, узкополосных интерференционных светофильтров, перенастраиваемых акустооптических фильтров.

Интенсивность ближнего инфракрасного (БИК) излучения после прохождения сквозь биологическую ткань зависит от изменений её объёма, связанных с пульсированием крови. Выделяя переменную часть интенсивности прошедшего света (фотоплетизмограмму), можно измерять и контролировать частоту сокращений сердца, ритм и глубину дыхания. Окклюзионная фотоплетизмография позволяет точнее, чем обычные тонометры, определять артериальное давление, измерять венозное давление крови, оценивать проходимость периферийных кровеносных сосудов.

Действие оксиметров и пульсоксиметров основано на различии спектров поглощения гемоглобина и оксигемоглобина. Это позволяет, используя двухволновой метод, неинвазивно определять степень насыщения крови человека кислородом. В пульсоксиметрах выделяют переменные части оптических сигналов, что позволяет неинвазивно контролировать такие жизненно важные показатели, как пульс человека и насыщенность кислородом именно артериальной крови. Поэтому пульсоксиметры широко применяют для мониторинга за больными людьми в операционных и реанимационных палатах.

Промышленность выпускает сейчас десятки типов таких интеллектуальных медицинских спектрофотометрических сенсоров, как фотоплетизмографы, оксиметры и пульсоксиметры.