Спектрофотометрия в обратно рассеянном свете. Гемоглобиномеры и сенсоры кровенаполнения

19.4. Неинвазивный сенсор кровенаполнения

Технология неинвазивного спектрофотометрического измерения концентрации гемоглобина в тканях человека создала и возможность неинвазивного измерения кровенаполнения живых тканей [ [ 72 ] , [ 292 ] ]. До этого медицина такой возможности не имела. Фотоплетизмография ведь позволяет отслеживать только небольшие пульсовые изменения кровенаполнения, но не абсолютный его уровень, например, в объемных %. А без такой возможности оказываются нежизнеспособными почти все неинвазивные технологии измерения абсолютных концентраций биологически важных веществ в крови человека (например, билирубина, глюкозы, карбоксигемоглобина и т.д.), поскольку результаты измерения концентрации этих веществ в ткани не удается корректно пересчитать именно на кровь.

Известно, что гемоглобин присутствует только в крови человека и нигде в организме не выходит из кровеносного русла наружу. Концентрация общего гемоглобина одинакова во всех звеньях системы кровообращения человека. Изменяется лишь степень его насыщения кислородом. Поэтому именно общий гемоглобин является наилучшим индикатором присутствия крови в ткани. Концентрация общего гемоглобина в ткани , которую измеряет гемоглобиномер, – это число молекул гемоглобина, приходящихся в среднем на единицу объема ткани . Они находятся в заполняющей эту ткань крови, объём которой

и есть относительное кровенаполнение ткани или, другими словами, – объёмная доля крови в ткани. Поэтому средняя концентрация общего гемоглобина в ткани напрямую зависит от кровенаполнения этой ткани и пропорциональна концентрации гемоглобина в крови :

Значит, измерив с помощью гемоглобиномера концентрацию общего гемоглобина в ткани и зная концентрацию его в крови, можно вычислить кровенаполнение ткани по формуле

Концентрация общего гемоглобина в крови – достаточно стабильный во времени показатель. Обычно она может заметно измениться лишь за несколько недель или даже месяцев, тогда как кровенаполнение конкретного участка тела и соответственно концентрация гемоглобина в нем могут меняться довольно быстро и существенно. Поэтому в большинстве случаев концентрацию гемоглобина в крови достаточно контролировать периодически, раз в несколько месяцев, и хранить в медицинской карточке пациента. Интеллектуальный сенсор гемоглобина легко превращается также и в сенсор кровенаполнения. Для этого в его внутреннее программное обеспечение вводят микропрограмму вычислений относительного кровенаполнения по формуле (19.12).

Неинвазивные измерения кровенаполнения полезны во многих случаях диагностики и лечения травм, ожогов, опухолей, рожистых и других заболеваний кожи. Они могут также значительно ускорить разработку приборов для неинвазивного измерения концентрации в крови человека других биологически важных веществ, например, сахара.

19.5. Интеллектуальный сенсор для неинвазивного исследования микроциркуляторного русла системы кровообращения

С применением сенсора кровенаполнения оказалось возможным неинвазивно оценивать состояние мельчайших кровеносных сосудов микроциркуляторного звена системы кровообращения человека, измерять количественные характеристики этих сосудов и даже небольшие их изменения [ [ 72 ] ]. Микроциркуляторное русло – это самая разветвленная часть системы кровообращения человека, состоящая из сети капилляров диаметром 5-10 мкм, из мельчайших подводящих к ним кровь артериол и отводящих кровь венул. Сосудики эти даже не видны невооруженным глазом. Но именно здесь происходят процессы обмена веществ между кровью и всеми клетками тела. Клетки берут здесь из крови кислород, все другие питательные вещества, витамины, гормоны, лекарства и отдают в кровь продукты своей жизнедеятельности. Именно в микроциркуляторном русле постоянно находится свыше 80% всего объема крови. И для здоровья организма очень важна проходимость этого русла для крови, эластичность его сосудов, их способность открываться и закрываться, сокращаться и расширяться. Многие серьезные болезни начинаются с невидимых нарушений именно в микроциркуляторном русле крови.

Возможность исследовать и оценивать его состояние даёт наблюдение динамики изменений кровенаполнения участка тела при изменении внешних условий. Теоретическая модель изменений кровенаполнения [ [ 238 ] ] показала, что эта динамика непосредственно связана с такими характеристиками сосудов микроциркуляторного русла, как их текущее гидравлическое сопротивление протеканию крови и комплианс. Комплианс (от англ. compliance – податливость, уступчивость) кровеносных сосудов исследуемого участка тела – это мера эластичности этих сосудов, определяемая увеличением их объёма, приходящимся на единичное приращение трансмурального давления в сосудах.

Структурная схема интеллектуального сенсора для неинвазивного исследования микроциркуляторного русла системы кровообращения человека приведена на рис. 19.3.

Тут схематически показан исследуемый участок тела 1, узел облучения 2, измеритель спектральных интенсивностей 3, микрокомпьютер 4, клавиатура управления 5, блок 6 изменения внешних условий, от которых зависит кровенаполнение, узел памяти 7 и узел выдачи результатов 8. Пунктирными стрелками 9 і 10 условно показаны оптические связи с исследуемым участком тела 1 (это могут быть, например, волоконно-оптические световоды), а также прохождение и обратное рассеяние зондирующего пучка света в живой ткани. Широкая пунктирная стрелка 11 условно показывает воздействие блока 6 на исследуемый участок тела, а широкая пунктирная стрелка 12 – выдачу результатов исследования пользователю (врачу-специалисту) или во внешний компьютер.

Почти всей работой сенсора автоматически управляет микрокомпьютер 4 в соответствии с заложенными в его память микропрограммами и данными. Он организует через узел 2 облучение исследуемого участка тела, получает от узла 3 и обрабатывает значения измеряемых спектральных интенсивностей, управляет работой блока 6 и памятью 7, поддерживая с ними обратную связь. Он же формирует и передает всю необходимую пользователю информацию на дисплей 8 или в канал связи с внешним компьютером. Через клавиатуру 5 пользователь может отдавать микрокомпьютеру свои команды и вводить дополнительную информацию, изменяющую, например, режимы работы, критерии или уставки.

Опишем один из возможных вариантов работы сенсора для конкретного случая, когда исследуемый участок тела находится на руке, а её кровенаполнение, как и при окклюзионной фотоплетизмографии, изменяется путем изменения давления в манжете, надетой на предплечье этой руки. Блок 6 состоит в этом случае из манжеты, баллона, в котором поддерживается заданное давление, и двух управляемых от микропроцессора вентилей, первый из которых соединяет манжету с баллоном, а второй – с атмосферой. В начале работы оптоэлектронную головку приводят в оптический контакт с исследуемым участком руки и выдерживают пару минут для адаптации и успокоения организма пациента. Когда дают старт, микрокомпьютер соединяет манжету с атмосферой и активирует узел облучения. Свет зондирует исследуемый участок тела и после прохождения сквозь него попадает в измеритель спектральных интенсивностей. Измеренные значения передаются в микрокомпьютер, который вычисляет кровенаполнение исследуемого участка руки и запоминает его в качестве исходного значения. Затем микрокомпьютер соединяет манжету с баллоном, в результате чего в ней устанавливается заданное давление Кровенаполнение исследуемого участка тела начинает нарастать. Через заданные интервалы времени микрокомпьютер организует очередные измерения кровенаполнения и накапливает результаты в памяти. Когда три-четыре измерения подряд дадут один и тот же результат, полученное значение фиксируется в памяти как конечное. Затем микрокомпьютер снова соединяет манжету с атмосферой, и давление в ней падает до нуля. Вены открываются, и кровенаполнение начинает уменьшаться, пока не достигнет исходного значения. Сенсор производит измерения кровенаполнения и фиксирует в своей памяти динамику обратных изменений.

Типичная зависимость кровенаполнения от времени при таких измерениях показана на рис. 19.14. На участке 1 измеряется исходное значение кровенаполнения. Участок 2 отражает динамику увеличения кровенаполнения исследуемого участка тела после создания повышенного давления в манжете, а участок 3 – динамику уменьшения кровенаполнения после снятия внешнего давления на сосуды. Прирост кровенаполнения позволяет количественно оценить комплианс сосудов микроциркуляторного русла в исследуемом участке тела

На участках 2 и 3 микрокомпьютер находит места наибольшей крутизны – те, на которых кровенаполнение быстрей всего меняется со временем, и вычисляет на соответствующих интервалах производную . Значение этой производной на участке 2 позволяет количественно определить гидравлическое сопротивление микроциркуляторного русла притоку крови

А наибольшее значение производной на участке 3 позволяет количественно определить сопротивление микроциркуляторного русла оттоку крови

В конце измерений и вычислений, занимающих несколько минут, интеллектуальный сенсор выдает на дисплей всю полученную информацию: комплианс , гидравлические сопротивления притоку и оттоку крови и , значения и динамическую кривую нарастания и спада кровенаполнения. Выходные данные могут быть переданы также в медицинский компьютер.

После исследования состояния микроциркуляторного русла пациента в спокойном физиологическом состоянии можно количественно определить изменения в нём после воздействия разных факторов. Например, после приёма сосудорасширяющих или сосудосуживающих препаратов, под действием повышенной или пониженной температуры окружающей среды, после сауны, спортивной тренировки, массажа, электростимуляции и т.п. Это позволяет врачу получить максимально полное представление о состоянии микроциркуляторного русла пациента, точнее диагностировать его, количественно зафиксировать полученные данные, чтобы с ними можно было сравнивать результаты исследований через некоторое, в том числе и достаточно продолжительное время. Повторные исследования позволяют контролировать и корректировать ход лечения и возрастные изменения в этом важнейшем звене системы кровообращения.