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

Упражнение 18.2.

Вариант 1. Из интегрального закона прохождения света находим: . Подставляя сюда данные задачи, получаем: .

Вариант 2. В варианте 1 мы получили формулу . Подставляя в неё данные задачи, находим: . График этой зависимости выглядит так:

Вариант 3. Из формулы, полученной в варианте 1, находим: . Подставляя данные задачи, получаем: .

Вариант 4. Сначала, используя формулу (18.9), находим коэффициент ослабления . Затем вычисляем коэффициент пропускания: .

Вариант 5. Из формулы находим сначала . Отсюда и . Затем из уравнения находим .

Вариант 6. Находим сначала пропускание кюветы с раствором: . Теперь, используя формулу (18.5), находим оптическую плотность кюветы с раствором: .

Вариант 7. Сначала, используя формулу (18.9), находим коэффициент ослабления . Затем вычисляем коэффициент пропускания: . B завершение находим оптическую плотность кюветы с раствором: .

Вариант 8. Из формулы, полученной в варианте 1, находим: . Подставляя данные задачи, получаем: .

Вариант 9. Чтобы акустооптический фильтр пропускал ближний ИК свет с длиной волны 1 мкм, расстояние между пучностями должно быть равно 0,5 мкм. Учитывая то, что между частотой УЗ волны , скоростью её распространения и длиной волны (т.е. расстоянием между пучностями) существует связь , находим .

Упражнение 18.3. Фотоплетизмография основана на регистрации изменений интенсивности света после его прохождения сквозь биологическую ткань, обусловленных изменениями ее объема. В клинической практике фотоплетизмография чаще всего применяется для наблюдения т.н. "пульсовых волн" – изменений объема участка тела, обусловленных толчковыми притоками крови в фазе систолы (сокращения мышц сердца и повышения артериального давления). Схема измерений обычно такова: излучающий светодиод и фотоприемник размещаются с противоположных сторон пальца или мочки уха человека.

Вариант 1. В фотоплетизмографии обычно используют свет с длиной волны между 600 и 700 нм. Это связано с тем, что поглощение такого света оксигемоглобином, который в основном и приносится с притоком артериальной крови в фазе систолы, и другими компонентами крови является незначительным. Поэтому при пульсациях крови интенсивность такого света связана в основном с его рассеянием и, следовательно, только с изменением объёма.

Вариант 2. При фотоплетизмографии из получаемого оптического сигнала обычно выделяют только его переменную составляющую. Именно её и называют "фотоплетизмограммой". В её общей структуре можно выделить "волны" 1-го, 2-го и 3-го порядка. Волны 1-го порядка называют "пульсовыми волнами", а волны 2-го порядка – "дыхательными волнами". Период повторения волн 2-го порядка в 4-6 раз больше периода повторения волн 1-го порядка. А период повторения волн 3-го порядка еще намного больше.

Вариант 3. "Волны" 1-го, 2-го и 3-го порядка на "фотоплетизмограмме" отличаются следующим. Волны 1-го порядка синхронизированы с сокращениями сердца. Поэтому их и называют "пульсовыми волнами". Волны 2-го порядка синхронизированы с ритмом дыхания человека, поэтому их называют "дыхательными волнами". Причина их появления состоит в том, что сердце находится внутри грудной клетки, где давление меняется в процессе дыхания (снижается относительно атмосферного при вдохе и повышается при выдохе). Из-за этого в такт с дыханием соответственно изменяется и артериальное давление, а поэтому и амплитуда изменения объема. Волны 3-го порядка связывают с периодической активностью центров нейрогуморального регулирования тонуса кровеносных сосудов.

Вариант 4. Обработка пульсовых волн в микрокомпьютере, который входит в состав интеллектуального фотоплетизмографа, позволяет подсчитывать и выводить на дисплей частоту сердечных сокращений, обнаруживать нарушения сердечного ритма, сигнализировать об опасных нарушениях и "выпадениях пульса", вычислять среднюю амплитуду пульсаций и сигнализировать, когда она выходит за критические пределы. Выделяя и оценивая дыхательные волны, микрокомпьютер может также контролировать наличие, глубину и "стиль" дыхания человека и подавать сигналы опасности в случаях продолжительной остановки или опасных нарушений дыхания. Все эти возможности интеллектуальных фотоплетизмографов сделали их желательным инструментом анестезиологов во время операций, а также дежурного медицинского персонала в реанимационных отделениях. Фотоплетизмограф оказался старательной "сиделкой" и бдительным "сторожем" возле тяжелобольных людей.

Вариант 5. Пульсовую волну можно представить как сумму двух основных составляющих, несколько сдвинутых во времени. Первая соответствует так называемому "анакротическому периоду" – фазе наибольшего сокращения сердечных мышц, а вторая – "дикротическому периоду". Амплитуда анакротической составляющей отражает величину ударного объема крови, который выталкивается из сердца во время систолы. Дикротическая составляющая связана с тем, что при выбросе крови сердцем под действием повышенного давления аорта и крупные магистральные артерии упруго растягиваются, и в них накапливается некоторый избыточный объём крови. А когда систолическое давление идет на убыль, то растянутые артерии возвращаются в исходное состояние, выбрасывая при этом накопленный объем крови. Чем больше этот объем, тем выше амплитуда дикротической составляющей. Поэтому эта амплитуда позволяет судить об упругости аорты и магистральных артерий у данного конкретного человека.

Вариант 6. "Окклюзионная фотоплетизмография" – это разновидность фотоплетизмографии, при которой искусственно создаются преграды для притока и оттока крови из исследуемого участка тела. Например, фотоплетизмограмма записывается на конечной фаланге пальца, когда на предплечье той же руки надевают компрессионную резиновую манжету. Манжета позволяет менять внешнее давление на кровеносные сосуды, а это изменяет условия протекания крови по сосудам. При измерении артериального давления крови сначала наблюдают пульсирование крови в пальце в нормальных условиях, когда в манжете нет избыточного давления воздуха. Потом быстро накачивают воздух, повышая давление в манжете до значения заведомо выше систолического артериального давления крови . Это давление передается на все кровеносные сосуды под манжетой. Поскольку давление извне становится выше давления крови в артериях, они перекрываются, и приток крови через них прекращается. После этого начинают постепенно снижать давление в манжете. Когда давление в ней сравнивается и становится чуть ниже систолического, на вершине "пика" сердечного выброса кровь получает возможность проталкиваться сквозь артерии, и на фотоплетизмограмме появляются пульсовые волны. Значение давления в манжете в этот момент времени и принимают за систолическое давление . Однако отток крови еще перекрыт, и средний уровень сигнала остается постоянным. Когда давление в манжете, продолжая снижаться, становится ниже диастолического , возможным становится и отток крови из вен. Кровенаполнение пальца начинает уменьшаться, сигнал на фотоплетизмограмме идет на спад. Давление в манжете в момент начала спада и принимается за диастолическое. Исследования показали, что по такой методике артериальное давление определяется точнее, чем обычными тонометрами с прослушиванием пульса.

Вариант 7. "Окклюзионная фотоплетизмография" при исследовании периферийного кровообращения позволяет измерить давление крови в венах и оценить проходимость прекапиллярных и посткапиллярных периферийных кровеносных сосудов и их эластичность. При измерении давления крови в венах сначала наблюдают пульсовые волны в пальце при отсутствии воздуха в манжете. Затем, накачивая в манжету воздух, постепенно повышают давление в манжете. Когда оно сравнивается с давлением крови в венах, вены перекрываются, отток крови из пальца прекращается, и его кровенаполнение начинает возрастать. Соответственно возрастает и сигнал на фотоплетизмограмме. Давление, при котором начинается рост, и принимают за венозное давление .

Вариант 8. При исследовании с помощью "окклюзионной фотоплетизмографии" периферийных кровеносных сосудов сначала наблюдают пульсовые волны в пальце при отсутствии воздуха в манжете. Затем, интенсивно накачивая в манжету воздух, быстро повышают давление в манжете до значения выше давления крови в венах. Вены перекрываются, отток крови из пальца прекращается, и его кровенаполнение начинает возрастать. Соответственно возрастает и сигнал на фотоплетизмограмме. Скорость нарастания сигнала пропорциональна скорости притока крови к пальцу. Поэтому скорость нарастания сигнала характеризует проходимость прекапиллярных сосудов и величину объемного кровотока в пальце. Рост кровенаполнения приводит к постепенному повышению давления крови в венах. Когда оно становится выше внешнего давления, вены открываются, восстанавливается отток крови из пальца. И спустя некоторое время наступает равновесие: отток крови уравновешивается ее притоком, кровенаполнение перестает изменяться. Прирост сигнала тем больше, чем больше эластичность кровеносных сосудов пальца. Поэтому по величине прироста сигнала оценивают эластичность периферийных сосудов. Затем быстро выпускают воздух из манжеты. Внешнее давление на вены исчезает, отток крови через них становится беспрепятственным, и кровенаполнение пальца начинает уменьшаться. Скорость уменьшения сигнала на фотоплетизмограмме зависит от гидравлического сопротивления сосудов оттоку крови. Поэтому указанная скорость характеризует проходимость посткапиллярных кровеносных сосудов пальца.

Упражение 18.4. "Оксиметрия" основана на следующих принципах. Выбирают 2 разные длины волны: одну, которую называют "опорной", – в той области спектра, где оксигемоглобин и восстановленный поглощают свет одинаково слабо; вторую, "измерительную", – в том спектральном интервале, где коэффициенты поглощения молекул и значительно отличаются. Если сквозь какую-то часть тела, например, сквозь мочку уха или сквозь палец пропустить пучок света, в котором имеются спектральные составляющие указанных длин волны, то при прохождении сквозь участок тела составляющая с "измерительной" длиной волны поглощается сильнее. И на выходе из тела она оказывается значительно слабее, чем "опорная" спектральная составляющая. Интенсивность "измерительной" составляющей тем меньше, чем ниже уровень насыщения крови кислородом. Измерение и сравнение спектральных интенсивностей указанных составляющих и позволяет количественно определить насыщенность крови кислородом. Степень насыщения крови кислородом важно определять по следующим причинам. В альвеолах легких молекулы гемоглобина ( ) химически присоединяют к себе кислород, превращаясь на оксигемоглобин ( ). С потоком крови они попадают в разные органы и биологические ткани тела, где молекулы диссоциируют, отдают кислород окружающим клеткам и превращаются в восстановленный гемоглобин . Этот процесс должен быть беспрерывным потому, что без постоянного поступления кислорода клетки быстро теряют способность функционировать и отмирают. Особенно болезненно реагируют на недостачу кислорода нервные клетки головного мозга. Поэтому-то показатель насыщения крови кислородом является жизненно важным.

Вариант 1. В оксиметрии используют свет двух длин волны. Одну, которую называют "опорной", выбирают из ближней инфракрасной области спектра, где и оксигемоглобин, и восстановленный гемоглобин поглощают свет одинаково слабо, например, при 780 нм. Вторую, "измерительную", дину волны выбирают в том спектральном интервале, где коэффициенты поглощения молекул оксигемоглобина и восстановленного гемоглобина значительно отличаются, например, при 650 нм. В этом случае наиболее отличаются и спектральные интенсивности света, прошедшего сквозь исследуемый участок тела. А это позволяет точнее определить соотношение концентраций названных форм гемоглобина.

Вариант 2. "Насыщение крови кислородом" показывает, какая часть молекул гемоглобина присоединила в легких кислород и переносит его к соответствующим частям тела. Количественно насыщение крови кислородом определяется по следующей формуле: . Здесь и – молярные концентрации восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина в исследуемом участке тела.

Вариант 3. Длина пути , пройденного светом в биологической ткани, отсутствует в формулах (18.14) и (18.15) для расчета насыщения крови кислородом потому, что насыщение крови кислородом является относительной величиной. Благодаря этому при расчете насыщения крови кислородом длина пути сокращается. Это значительно упрощает процесс измерения.

Вариант 4. Приставка "пульс" в названии "пульсоксиметр" присутствует потому, что в этом сенсоре выделяют и измеряют интенсивности только переменной части сигналов, называемой "пульсовыми волнами". Они синхронизированы с сокращением сердца и отражают изменения объема исследуемого участка тела, связанные с приливами крови в фазе систолы. Поскольку к исследуемому участку тела приливает только артериальная кровь, то выделяемая переменная составляющая сигналов связана именно с артериальной кровью. Это открывает возможность определить насыщение кислородом именно артериальной крови. Его вычисляют обычно по приближенной формуле: . Здесь и – молярные коэффициенты поглощения восстановленного гемоглобина на "измерительной" и "опорной" длине волны соответственно; – спектральные интенсивности света при выходе из тела; и – амплитуды переменной части интенсивности сигналов в опорном и измерительном каналах соответственно.

Вариант 5. Насыщенность кислородом именно артериальной крови удается определять в пульсоксиметрах благодаря тому, что, кроме измерения постоянной составляющей оптических сигналов, в опорном и измерительном каналах выделяют и измеряют также и их переменные составляющие. Эти переменные составляющие обусловлены пульсовыми приливами крови к исследуемому участку тела. Приливаемая кровь всегда является артериальной. Поэтому переменные части сигналов связаны именно с артериальной кровью. Они и несут информацию о её насыщении кислородом.

Вариант 6. Например, цифровой пульсоксиметр МАРГ 10-01 "Микролюкс" К1 имеет размеры 160x140x60 мм. Выносная оптоэлектронная головка смонтирована в "клипсе", которая одевается как не сдавливающая "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 качественно 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. Пульсоксиметр предназначен для установки рядом с больным в операционных, послеоперационных, реанимационных залах и в палатах интенсивной терапии. В этом случае он питается через адаптер от стандартной электросети. Он может применяться также в реанимационном автомобиле. Тогда он питается от встроенного аккумулятора, рассчитанного на 6 часов работы.