Медицинские приборы-аппараты, системы и комплексы. Технические методы и аппараты для экспресс-диагностики: Учебное пособие

Министерство образования Российской Федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА

А.В. БЕРДНИКОВ, М.В. СЕМКО, Ю.А. ШИРОКОВА

МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ, АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ Часть I. "ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ" Учебное пособие

Казань 2004

УДК 76.13.25; 681.2 А.В. Бердников, М.В. Семко, Ю.А. Широкова Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы. Часть I. Технические методы и аппараты для экспресс-диагностики: Учебное пособие / Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 176 c.

ISBN Рассмотрены нестандартные диагностические методики, аппаратные и алгоритмические средства. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" при изучении дисциплин "Медицинские аппараты системы и комплексы" ОПД. Ф. 11 и "Узлы и элементы медицинской техники" СД.04.

Рецензенты: докт. техн. наук проф. И.И. Исмагилов Казанский институт (филиал РГТЭУ) докт. мед. наук, проф. Е.И.Сигал Казанская государственная медицинская академия, Клинический онкологический центр МЗ РТ

2

Содержание Введение………………………………………………………………..

6

I Фотометрические методы в экспресс-диагностике ……………….

8

1.Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности приперитоните…………………………………………………… 1.1.Введение в проблему диагностики перитонита……………….. 1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования……………….…………………… 1.3. Методы и технические средства измерения отражения от различных объектов, в том числе биологической природы…. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины………… 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового потока с исследуемой биофизической средой……………. 1.3.3. Отражение света……………………………………………. 1.3.4. Простая шероховатая поверхность……………………….. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства……………………………………………. 1.4.1. Типовые функциональные узлы фотометрических ИП….

8 8 13 17 17 18 23 27 28 33

2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей………… 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов……. 2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм агрегации эритроцитов…………………………………………… 2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов……………… 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капилляре……………………………………………………………… 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов……………………………………………………. 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ………………………….. 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в динамике………………………………………………………. 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрегационных свойств клеток крови………………………………… 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ……………. 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микроскопическом наблюдении………………………………….. 2.6.3.Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови…………………………………………………………. 2.7. Методы измерения реологических свойств крови…………….. 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ……………….

61 64 65

3. Фотоплетизмография………………………………………………

69

37 37 41 43 48 51 51 53 56 57 61

3

3.1. Введение в фотоплетизмографию…………………………….. 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа…. 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем ……. 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода……………………………………….

69 73 73 81

II Электро-контактные методы 1. Реоэнцефалография 1.1. Теоретические основы реоэнцефалографии. Особенности кровообращения в головном мозге………………………….. 1.2. Механизмы формирования реоэнцефалограммы…………… 1.3. Аспекты применения реоэнцефалографии для оценки мозгового кровообращения……………………………………… 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии……. 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы…………….. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений…………………………………………… 2. Векторкардиография 2.1. Теоретические основы электро- и векторкардиографии……… 2.1.1. Биоэлектрические явления в сердечной мышце………….. 2.1.2. Дипольная концепция электрической активности сердца 2.1.3. Проводящая система сердца……………………………… 2.1.4. Понятие об электрической оси сердца…………………... 2.2. Основные принципы метода векторкардиографии………….. 2.2.1. Скалярное представление векторкардиограммы…………. 2.2.2. Векторное представление векторкардиограммы…………. 2.3. Применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведений векторкардиографии……… 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортогональных……………………………………………………. 3. Искусственная вентиляция легких 3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности……… 3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недостаточности……………………………………………………. 3.1.2.Клинические признаки острой дыхательной недостаточности………………………………………….. 3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиляции легких……………………………………………………… 3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания… 3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической стимуляции диафрагмального дыхания…………………….. 3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П…………………………

86 88 91 93 95 98 103 103 104 106 108 109 110 112 114 117 118 119 120 122 122 123 123 126 4

3.4. Использование реографических методов для оценки интенсивности дыхания……………………………………………….

127

III Электрохимические методы 1.

Определение показателя кислотности в желудке и двенадцатиперстной кишке…………………………………………………… 1.1. Постановка проблемы измерения рН……………………….. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ…………. 1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электрометрической рН-метрии (рН-зондирование)…………………… 1.3.1. Показания и противопоказания при зондировании……….. 1.3.2. pН - метрические зонды…………………………………….. 1.4. Регистрирующие приборы для рН-метрии………………….

2. Гемодиализатор 2.1. Анализ проблем и задач при проектировании аппарата для проведения гемодиализа…………………………………….. 2.1.1. Исследование объекта лечения……………………………… 2.1.2. Основные заболевания почек………………………………... 2.2. Методы искусственного очищения крови. ………………… 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксикации…………………………………………………………….. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации……………….. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиализа……………………………………………………………. 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга…….. 2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств…. 2.5.2. Типы биосенсоров мочевины……………………………. 3.

Газовый анализатор 3.1. Исследование физико-химического состава содержимого брюшной полости……………………………………………. 3.2. Обзор принципов и схем обработки данных………………. 3.3. Выбор типов первичных преобразователей……………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………. ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………..

129 129 131 133 134 134 138

140 140 143 144 147 147 156 156 158 162 166 166 168 169 173 174

5

Введение Процесс подготовки творчески мыслящего инженера, связанного с областью биомедицинского электронного приборостроения, невозможен без воспитания и развития у него в студенческие годы интереса к самостоятельной исследовательской деятельности. Именно поэтому в последние годы во всех руководящих документах высших учебных заведений ей уделяется особое внимание. С самостоятельной исследовательской работой студент сталкивается в различных формах обучения, однако, наибольшее влияние на формирование навыков самостоятельной работы оказывают курсовое и дипломное проектирование. Это объясняется тем, что именно при выполнении задания на проектирование ему впервые приходится заниматься теоретическими и экспериментальными исследованиями порой по новой для него тематике. В этой связи особую актуальность и значимость приобретают выпускаемые тематические учебные пособия, охватывающие различные области знаний в соответствии с требованиями ГОС на специальность т.к. на сегодняшний день невозможно представить медицину без применения электронной медицинской диагностической аппаратуры. Одной из основных задач медицинского контроля за состоянием человека является диагностика состояния здоровья с целью выявления патологических процессов, наличие инфекций в организме, предрасположенность к патологиям и прогнозирование их развития. Специалисты, а особенно студенты медико-инженерных специальностей испытывают недостаток в технической литературе, в которой последовательно раскрыты этапы проектирования диагностического оборудования. В помощь студентам предлагается данное учебнометодическое пособие. Оно составлено на основании опыта, накопленного авторским коллективом при руководстве и выполнении дипломного проектирования. Основное внимание в пособии уделено области диагностических методик, базирующихся на уникальных медицинских приборах, нестандартном лабораторном и диагностическом оборудовании. Это обусловлено спецификой реальных тематик и задач, предлагаемых медицинскими лечебными учреждениями г. Казани и РТ. и РФ в рамках совместной научной деятельности. В первом разделе учебного пособия рассмотрен ряд фотометрических и спектрофотометрических устройств, применяемых в хирургических диагностических и лабораторных исследованиях. В первой главе представлен фотометрический анализатор, который позволяет определить состояние брюшной стенки и санирующей жидкости при перитоните, даны основные методы и средства измерения диффузного и зеркального отражения различных объектов, в том числе и биологической природы. Представлена структурная схема устройства. В рамках главы "Фотометрия в оценке гемореологических показателей" рассмотрены основные реологические свойства крови и математи6

ческая модель седиментации эритроцитов в капилляре, различные лабораторные способы исследования СОЭ, в том числе экспресс-методы и функциональные схемы соответствующих устройств. Динамику восстановления кровотока и перистальтической деятельности в послеоперационном периоде предложено оценивать по фотоплетизмографической методике. В главе проводится оптимизация параметров оптической части фотоплетизмографа. Второй раздел посвящен электро-контактным методам. В нем анализируются методики реоэнцефалографии, механизмы формирования реоэнцефалограммы; основные принципы метода вектокардиографии, применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведений векторкардиографии. Проводится исследование патоморфологии искусственной и вспомогательной вентиляции легких, а также представлен материал по использованию реографических методов для оценки интенсивности дыхания, а также методика проведения электрической стимуляции диафрагмального отдела. В третьем разделе описаны электрохимические методы, частности рассмотрены методика измерения кислотности желудочного содержимого при проведении ФГДС, методическое и аппаратное обеспечение для гемодиализа и измерения концентрации мочевины, а также новая область аппаратуры для лапароскопической хирургии - приборы анализа состава газа, находящегося в брюшной полости. Исследованиями показано, что наличие ряда газов в рюшной полости, таких как метан, изобутан, этанол, сероводород, аммиак, а также паров ацетона в микро концентрациях и различных сочетаниях свидетельствует о развитии в полости патологических процессов различной природы и может быть рассмотрено в качестве дополнительного источника диагностической информации. Учебное пособие органически дополняет лекционный материал и даёт возможность студенту проявить индивидуальность в подходах к самостоятельному решению поставленных задач. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и занимающихся изучением и разработкой медицинского диагностического оборудования.

7

I. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКЕ 1. Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности при перитоните 1.1. Введение в проблему дигностики перитонита Несмотря на прогресс в развитии анестезиологии и реаниматологии, постоянное расширение возможностей лекарственной терапии и совершенствование техники оперативного вмешательства, перитонит остается основной причиной летальных исходов у больных хирургического профиля. Летальность при распространенном гнойном воспалении брюшины колеблется, по данным отечественных и зарубежных авторов, от 20 до 50%, а при послеоперационном перитоните достигает 45—92,8% и не имеет тенденции к снижению. Современная терапия не всегда приносит желаемый результат, так как она часто не может купировать воспалительный процесс в брюшной полости. Среди умерших больных с острым перитонитом чаще всего причиной смерти является тяжелая интоксикация, обусловленная продолжающимся воспалением брюшины. Во многом течение и исход гнойного перитонита определяются санацией брюшной полости во время операции и в послеоперационном периоде. Не меньшее значение в лечении перитонита придается методам выведения токсинов из организма, поскольку после устранения источника перитонита воспаление брюшины сразу не обрывается и длительное время остается очагом токсического влияния на организм. Перитонит — заболевание вторичное, осложняющее течение острых воспалительных хирургических заболеваний органов брюшной полости, проникающие ранения живота, закрытые повреждения внутренних органов. Среди острых заболеваний органов брюшной полости, явившихся причиной перитонита, острый аппендицит имел место в 39% случаев. Часто выявлялись такие заболевания, как острый холецистит, острый панкреатит, гнойные гинекологические заболевания, перфоративная язва желудка и двенадцатиперстной кишки, травматические повреждения органов брюшной полости, злокачественные опухоли с перфорацией органов и т. д. (табл. 1.1.). В структуре нозологических форм заболевания у больных с ограниченными формами перитонита преобладали острый аппендицит, острый холецистит, гинекологическая патология. Общеизвестно, что никакой другой показатель, кроме показателя поздней госпитализации, не играет решающей роли в развитии перитонита, его распространенности и запущенности.

8

Таблица 1.1. Распределение больных в зависимости от формы заболевания и распространенности перитонита Нозологическая форма за- Всего больных Ограниченный болевания перитонитом перитонит Абс. абс. % % Острый аппендицит 714 39,0 585 31,9 Ущемленная грыжа 92 5,0 13 0,7 Прободная язва желудка и 162 8,9 8 0,4 двенадцатиперстной кишки Острый холецистит 210 11,5 111 6,2 Острый панкреатит 65 3,6 28 1,5 Острая кишечная непрохо97 5,3 26 1,4 димость Перфоративная опухоль же65 3,6 7 0,4 лудка и кишечника Гинекологическая патоло161 8,8 115 6,3 гия Травма органов живота 108 5,9 50 2,7 Послеоперационный тонит Всего

пери-

Распространенный перитонит абс. % 129 7,1 79 4,3 154

8,4

99 37

5,4 2,0

71

3,9

58

3,2

46

2,5

58

3,2

155

8,4

9

0,5

146

7,9

1829

100

952

52,1

877

47,9

Классификация перитонита на протяжении многих лет претерпела довольно много корректив. С выделением фаз развития эндогенной интоксикации представляется оправданным выделение клинических особенностей и отличительных признаков перехода от менее тяжелого к более тяжелому ее течению при развитии перитонита. Очевидно, что классификация перитонита должна основываться на следующих критериях: 1) источник перитонита; 2) характер перитонита; 3) распространенность перитонита; 4) стадия заболевания, тесно связанная со сроком от начала заболевания. Представленная классификация перитонита требует несколько иного подхода к выявлению источника перитонита, особенно у больных с острыми заболеваниями органов брюшной полости. Характер экссудата. В большинстве известных вариантов классификации перитонита характер экссудата при перитоните не описан. Многолетние наблюдения за больными, анализ статистического материала дают основание утверждать, что гнойный перитонит протекает менее тяжело, чем каловый или смешанный. Если при гнойном перитоните решающим фактором для благоприятного прогноза является срок начатого лечения, то при каловом или смешанном перитоните даже рано начатое лечение не гарантирует от многочисленных осложнений и летального исхода. 9

Распространенность перитонита определяет течение и исход острых абдоминальных заболеваний. Для ограниченного перитонита характерны выраженные воспалительные изменения висцеральной и париетальной брюшины в пределах одной анатомической области брюшной полости. Для распространенного перитонита типично вовлечение в воспалительный процесс всех анатомических этажей и органов брюшной полости, проникновение патологического экссудата в малодренируемые пространства верхнего этажа брюшной полости. До последнего времени выделяли три фазы острого перитонита: реактивную, токсическую и терминальную. От степени компенсаторных возможностей в значительной мере зависит необходимость применения комплексной интенсивной терапии в пред- и послеоперационном периодах. Для достижения этих целей выбрано цифровое деление стадий перитонита: I, II, III, IVA и IVБ. Клинически выделенные стадии характеризуются определенными признаками. Стадия I перитонита (первые 6—8 ч) отличается тем, что при перитоните любого характера возможно относительно безопасное наложение анастомозов. Она характеризуется выраженными болевым синдромом, дисфагией, слабовыраженным парезом, температурной реакцией соответственно объему деструкции в брюшной полости, высоким лейкоцитозом (в среднем 12,8•109/л), небольшим отклонением лейкоцитарного индекса интоксикации(ЛИИ) (в среднем 2,4), соответствует эндогенной интоксикации 1 степени. Стадия II острого перитонита (8—24 ч) —это период, который можно охарактеризовать как стадию мнимого благополучия, когда стихают острота и интенсивность болевого синдрома: нарастают признаки интоксикации, проявляющиеся бледностью кожных покровов, эйфорией, тахикардией свыше 100 в минуту, стабильно высокой температурой, нарастающим парезом кишечника (перистальтические волны характеризуются резким резонансом); остается высокий лейкоцитоз (в среднем 15,6•109/л), выражены ЛИИ (4,5), увеличение СОЭ до 20—28 мм/ч; соответствует эндогенной интоксикации II степени. Стадия III острого перитонита (24—48 ч) — это стадия эндотоксического шока и развития полиорганной недостаточности, характеризующаяся наряду с приведенными симптомами преходящим психозом, нестабильной гемодинамикой, одышкой, рвотой застойной жидкостью, стойким парезом кишечника, невысоким лейкоцитозом (в среднем 9•109/л); соответствует эндогенной интоксикации III степени. Стадия IV острого перитонита (48—96 ч) — это стадия прогрессирующей полиорганной недостаточности. СТАДИЯ IVA (48—72 ч) — это стадия компенсации, для которой характерны: иктеричность кожных покровов и склер, психоз, низкие показатели гемодинамики, одышка, понос. Стадия IVБ (72—96 ч) — стадия декомпенсации: клинические симптомы те же, что и в стадии IVA. 10

Источник перитонита Нозологическая форма заболевания

1.Острые воспалительные заболевания органов брюшной полости 2. Травма органов брюшной полости и забрюшинного пространства 3. Послеоперационные осложнения 4. Неустановленный источник

Характер экссудата 1. Гнойный

2. Желчный 3. Каловый 4. Смешанный

Распространенность перитонита

Ограниченный

Распространенный

Стадии перитонита

I

II

III

IV А Б

Рис.1.1. Клиническая классификация перитонита (схема) Выделение этих стадий несколько условно в тех случаях, когда они рассматриваются изолированно от других признаков классификации острого перитонита. Клиническая практика убеждает, что даже при ограниченном перитоните могут развиться поздние стадии острого перитонита. На рис.1.1. приведена схема предложенной классификации. 11

Раскрытие многих сторон патогенеза перитонита, включая эндогенную интоксикацию, убедило хирургов в необходимости применения комплексной терапии этого заболевания. Принципы комплексного лечения перитонита были сформулированы в 1981 г. Стручковым В. И. Экстренная хирургическая операция: 1) удаление источника перитонита; 2) ограничение его тампонами, если затруднительно его удаление; 3) дренирование источника перитонита по следующим показаниям: а) неудаленный очаг; б) переход гнойно-некротического процесса на забрюшинную клетчатку; в) кровоостанавливающий тампон при диффузном капиллярном кровотечении. Разработка и совершенствование техники хирургических вмешательств, наложения кишечных анастомозов, оснащение аппаратурой для активного удаления экссудата, дренирования кишечника, совершенствование конструкции зондов и других приспособлений. Борьба с интоксикацией — уменьшение поступления в кровеное русло токсинов, их разведение, разрушение, адсорбция и выведение. Воздействие на микрофлору с использованием антибактериальных и физических средств. Разработка и внедрение в практику методов ускоренной бактериологической диагностики и контроля эффективности антибактериальной терапии. Восстановление нарушенных функций жизненно важных органов и систем. Проблема лечения запущенных ограниченных и распространенных форм перитонита остается ведущей в хирургии. Изучение особенностей течения перитонита, эндогенной интоксикации и других факторов, влияющих на исход этой патологии, несколько изменило взгляд на задачи комплексного лечения перитонита. Во-первых, изменился критерий «экстренности» операций при перитоните: на первый план выдвинута необходимость адекватной предоперационной подготовки. Во-вторых, открылись новые перспективы в применении хирургической коррекции перитонита за счет различных вариантов лапаростомии. В-третьих, постоянно совершенствуются и расширяются показания к комплексной внеорганной детоксикации. В-четвертых, наметились и продолжают совершенствоваться оптимальные пути антибактериальной терапии. Оставив прежними основные принципы лечения больных перитонитом, можно сформулировать следующим образом задачи современной комплексной терапии: 1) экстренная адекватная предоперационная подготовка до стабилизации гемодинамики и ликвидации или уменьшения сгущения крови, разгрузка верхних отделов желудочно-кишечного тракта (срок предоперационной подготовки может продолжаться до 2—3 ч); 2) операция, направленная на ликвидацию источника перитонита, профилактику его прогрессирования и адекватное дренирование брюшной по12

лости; 3) совершенствование методов послеоперационной санации брюшной полости и профилактика хирургических осложнений, комплексное применение методов внеорганной детоксикации; 4) комбинированная антибактериальная терапия; 5) коррекция гомеостаза, иммунных нарушений и восстановление функции кишечника. В комплексе меняющихся задач лечения больных перитонитом разрабатываются основные принципы рациональной терапии на каждом этапе лечения.

1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования Принципиальное отношение к выбору способа санации брюшной полости при различных формах перитонита определяется необходимостью снижения степени эндогенной интоксикации. Результаты микробиологических исследований свидетельствуют о существенном влиянии различных способов дренирования и санации брюшной полости на течение одного из компонентов эндогенной интоксикации. Однако токсическое влияние перитонеального экссудата в значительной степени зависит от скорости его эвакуации из брюшной полости. Для изучения влияния различных способов дренирования брюшной полости на динамику показателей степени эндогенной интоксикации сравнивали две группы больных: с активным дренированием брюшной полости и с активным дренированием и этапными санациями. Исходный уровень показателей свидетельствует о тяжелой степени эндогенной интоксикации у больных 1-й и 2-й групп. В дальнейшем на 3—4-е сутки лечения при активном дренировании брюшной полости имеется минимальная динамика — уменьшение показателей протеолитической и антитрипсической активности крови. В большей степени эти изменения следует отнести не к непосредственному влиянию способа дренирования, а к проводимой инфузионно-трансфузионной терапии. На 5—7-е сутки лечения отмечено более выраженное снижение в крови больных числа средних молекул — почти в 2 раза по сравнению с исходными показателями, уменьшение количества некротических тел до 37,1±0,8 ед./мл, снижение показателя циркулирующих иммунных комплексов крови до 74,2±0,04 усл.ед., протеолитической активности крови в 2 раза по сравнению с исходными показателями [4,7±0,4 мкг/(мл-ч)]; однако почти не менялся показатель антитрипсической активности крови, который достигал 3,13±0,01 мг/мл. При активном дренировании брюшной полости и этапных санациях в процессе лечения распространенного перитонита прослежено более быстрое изменение показателей токсичности крови. В частности, на 3—4-е сутки лечения в 2 раза снижались показатели протеолитической и антитрипсической 13

активности крови больных—4,1±0,3 мкг/(мл-ч) и 2,7±0,02 мг/мл соответственно. При снижении активности распада полинуклеопротеидов, достигающих в крови в 2 раза меньшего уровня, чем в начальном периоде заболевания (38,6±0,06 ед./мл), оставался активным процесс агрессивного воздействия протеиназ на белковые структуры организма, в результате чего наблюдался высокий уровень средних молекул (0,691±0,002 усл. ед.). Только на 5—7-е сутки лечения в результате этапных санаций брюшной полости отмечено существенное, статистически достоверное изменение всех регистрируемых показателей крови, однако при этом только показатели протеолитической и антитрипсической активности крови пришли к исходному нормальному уровню. Таким образом, различные способы дренирования брюшной полости, оказывая существенное влияние на течение микробного компонента эндогенной интоксикации, не в полной мере могут менять ее биохимический компонент. В ходе этапных санаций удалось достаточно быстро повлиять на снижение протеолитической и антитрипсической активности крови, на уровень распада полинуклеопротеидов и в меньшей степени — на степень катаболических процессов в печени при наличии патологических иммунных комплексов и аминокислот. Выявленные при лапаростомии данные свидетельствовуют о том, что париетальная и висцеральная брюшина в различной степени реагировали на раздражитель. При этом важное значение имела распространенность воспаления. При проведении цитологических исследований мазков-отпечатков с брюшины при лапаростомии или из отделяемого брюшной полости в 1—2-е сутки после операции в мазках наблюдалась выраженная микробная обсемененность за счет ассоциаций микрофлоры. Несмотря на проводимую активную санацию брюшной полости, характер воспалительной реакции мало отличался и незначительно зависел от особенностей дренирования брюшной полости. Тяжесть течения эндогенной интоксикации сопровождалась высоким исходным уровнем некроза, дистрофией нейтрофилов при применении неподвижных дренажей. Этапная санация способствовала более быстрому удалению патологических клеточных элементов, но такие показатели, как некроз и дистрофия нейтрофилов, незначительно отличались от показателей у больных 1-й группы. Между клеточными элементами, в микро- и макрофагах содержалась в большом количестве кокковая флора. Характерна картина незавершенного фагоцитоза стафилококков при низком содержании мононуклеарных элементов, при этом полностью отсутствовала фибробластическая реакция, а число макрофагов в обеих группах не превышало 1,4±0,2%. В мазках наряду с нормальными лейкоцитами выявлялись нейтрофилы с клеточным цитолизом, отмечено дегранулирование нейтрофилов, выпадение гранул за пределы клетки, распад имеющейся кокковой микрофлоры происходил вне нейтрофила. Таким образом, все существующие современные способы применения неподвижных дренажных систем могут дать ожидаемый эффект в ранних 14

стадиях острого перитонита. Применение неподвижных дренажных систем при запущенных перитонитах, начиная с периода образования в брюшной полости фибрина, должно сопровождаться дополнительным лечебным воздействием для предотвращения инфильтративно-спаечного процесса. В этом случае значительное положительное влияние на регенеративный процесс в брюшине оказывают активные дренирующие системы и этапные санации. Таким образом, активная санация брюшной полости, позволяет эвакуировать большое количество экссудата и быстрее удалять микрофлору. Проследить динамику изменений брюшины и внутренних органов представляется возможным в зависимости от стадии заболевания. При разлитом перитоните морфологические изменения быстро нарастают и коррелируют со стадией процесса. Это отчетливо выделяется уже в реактивной стадии заболевания, в которой выделяется 2 фазы: раннюю – до 12 ч и позднюю – свыше 12 ч. В ранней фазе реактивной стадии обычно наблюдается серознофибринозный перитонит. Макроскопически в этот период брюшина тусклая, гиперемированная, с умеренным количеством фибринозных наложений. При микроскопическом исследовании обнаруживается отек брюшины, особенно глубокого слоя эластических и коллагеновых волокон. В этом слое нередко выявляются очаговые кровоизлияния, отдельные нейтрофильные лейкоциты (НЛ). В реактивной стадии разлитого перитонита развивается серознофибринозное воспаление брюшины с характерными резкими нарушениями микроциркуляции в виде стаза, ритроцитарных агрегатов и тромбов в сосудах микроциркуляторного русла. Наблюдается отек брюшины, образование на ней фибринозной пленки, умеренная лейкоцитарная инфильтрация, небольшое число макрофагов и лимфоцитов. При этом фагоцитоз бактерий выражен незначительно. Для токсической стадии острого разлитого перитонита характерны следующие признаки: гнойно-фибринозный экссудат, нарастание интоксикации, прогрессирующее нарушение микроциркуляции не только в брюшине, но и во внутренних органах, включение в воспалительный процесс иммунных реакций, усиление лейкоцитарно-макрофагальной инфилтрации брюшины, появление в крови и в инфильтрате значительного числа дистрофически измененных НЛ с ослабленными защитными свойствами, нарастание количества микробов в брюшине и экссудате при снижении фагоцитарной функции НЛ и макрофагов. Морфология терминальной стадии острого разлитого перитонита характеризуется гнойно-фибринозным воспалением брюшины с выраженным некротическим компонентом, гнойными тромбофлебитами и тромбоартериитами микрососудов брюшины и тяжелыми нарушениями микроциркуляции во внутренних органах, выраженными дистрофическими и некробиотическими изменениями НЛ. Особенно поражены патологическим процессом сердце, печень, почки, а также вся система микроциркуляции.

15

В зависимости от стадии перитонита брюшная стенка постоянно меняет свой вид, в том числе меняется и цвет. Цвет брюшины меняется от сероватожелтого до синюшно-красного оттенка (табл. 1.2). Динамика изменения цвета брюшной стенки в зависимости о патологии Таблица 1.2. Фаза перитонита 1 фаза (1 сутки) реактивная стадия 2 фаза (2-3 сутки), токсическая стадия 3 фаза (4-7 сутки), терминальная стадия

Вид экссудата Серознофиброзный экссудат Гнойнофиброзный экссудат Гнойнофибринозный экссудат (до 2 литров)

Цвет брюшины Тусклая, гиперемированная, отечная, умеренное количество фибринозных наложений, цвет серовато-желтого оттенка Брюшина отечного красного цвета, на поверхности видны грубые гнойно-фиброзные наложения Брюшина тусклая, грязно-серого цвета, с множеством кровоизлияний. Сероватые участки чередуются с синюшно-красными, иногда с серовато-красными очагами.

Таким образом, при перитоните в экссудате брюшной полости присутствует микрофлора и ряд клеток: мезотелиальные, лимфоциты, ретикулярные клетки, плазматические клетки и миелоидные элементы. Наличие микрофлоры в экссудате брюшной полости незначительно влияет на оптические параметры санирующей жидкости, что затрудняет ее обнаружение при помощи оптических методов исследования. В свою очередь клетки легко обнаруживаются в санирующей жидкости при помощи оптических методов исследования, где они присутствуют как во взвешенном, так и в растворенном состоянии. Клетки, растворяясь в жидкости, окрашивают ее, преимущественно, в красный цвет. При патологических изменениях в брюшной полости, что имеет место при перитоните, брюшина в начале воспалительного процесса теряет естественное строение и вид становиться тусклой, на ней появляются налеты фибрина, мелкие кровоизлияния; на 5-7-й день брюшина приобретает вид обширной раневой поверхности. Такие изменения можно подтвердить при помощи оптических методов исследования.

16

1.3. Методы и технические средства измерения диффузного и зеркального отражения различных объектов, в том числе биологической природы Информацию об окружающей среде человек получает главным образом через зрительные восприятия, источником которых служит свет, отраженный или рассеянный материальными телами. Отражение света, как правило, происходит на поверхности тел, поэтому качество и количество отраженного света определяется свойствами поверхности. Белая поверхность отражает одинаково хорошо лучи всего видимого спектра, тогда как черная их почти не отражает. Можно различать множество поверхностей, которые обладают тем или иным цветом, при этом отражается только какая-то часть лучей видимого спектра, а другая часть поглощается. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины Фотометрией называют раздел физической оптики, охватывающий теорию и приемы исследования интенсивности лучистых потоков. Приборы, служащие для измерения лучистой мощности, носят название фотометров. Лучистая энергия — это энергия совокупности распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. В современной физике лучистую энергию рассматривают как поток материальных частиц, обладающих одновременно волновыми и квантовыми свойствами. Волновые свойства обусловлены тем, что лучистая энергия представляет собой электромагнитные волны. Квантовые свойства характеризуются изменением лучистой энергии определенными порциями — квантами. Светом называется тот вид электромагнитного излучения, который вызывает зрительное ощущение. Электромагнитная теория света установила единство физической природы всех видов излучений — единый электромагнитный спектр. Этот спектр с длинами волн от 1 • 10-11 до 3 • 1010 см условно разбили на отдельные области от гамма - лучей до низкочастотных колебаний (источниками последних являются промышленные генераторы переменного тока). Видимые лучи занимают в электромагнитном спектре самый узкий участок (от 380 до 780 нм). Излучения так называемой оптической области спектра простираются от ультрафиолетовой области радиации (~ 1,0 нм) до инфракрасных излучений с длиной волны до 1 мм. Всякое сложное излучение представляет собой совокупность монохроматических излучений. Монохроматическое излучение характеризуется длиной волны λ или частотой υ и волновым числом. Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением 17

υ=

с

λ0

,

(1.1)

где с — фазовая скорость распространения излучения в вакууме, которая постоянна для монохроматических излучений всех частот; λ0 — длина волны излучения в вакууме. В любой другой среде длина волны λ зависит от показателя преломления среды п. λ=

λ0 n

.

(1.2)

Показатель преломления п есть отношение фазовых скоростей распространения излучения в вакууме и в данной среде: n=

c

υ

.

(1.3)

При прохождении излучения сквозь разные среды длина волны λ будет изменяться соответственно показателям преломления, но частота колебаний υ при этом окажется неизменной. Лучистую энергию, переносимую в единицу времени, называют лучистым потоком. Следовательно, лучистый поток есть мощность переноса лучистой энергии. Лучистый поток характеризуется спектральным составом, а лучистая энергия и связанные с ней величины — энергетическими и светотехническими единицами в зависимости от спектрального состава излучения и от особенностей приемника излучения. Если приемник одинаково реагирует на лучистую энергию в широком участке спектра, то пользуются энергетическими величинами. Такой приемник называется неселективным. Если реакция приемника зависит от спектрального состава лучистой энергии, то его называют селективным, и в этом случае выбор единиц измерения зависит от рабочего участка спектра. 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового потока с исследуемой биофизической средой В основе принципа действия большинства оптических измерительных преобразователей (ОИП) лежит взаимодействие падающего света с исследуемой биологической средой (ИБС), в результате которого изменяются параметры светового потока. В сложных полидисперсных гетерогенных растворах ИБС эти изменения для разных компонентов различны, что и позволяет получать информацию о наличии компонента, его количестве или соотношении компонентов в растворе путем измерения параметров световых потоков, прошедших через ИБС или отраженных от нее. 18

При выборе принципов построения оптических измерительных преобразователей (ИП) параметров БС необходимо учитывать ряд специфических особенностей ИБС, как объектов исследования: 1. Падающее на исследуемую БС оптическое излучение может оказать влияние на происходящий в ней процесс (нагревание, фотохимические реакции). Это влияние связано с поглощением света, которое происходит в большинстве случаев избирательно. Поэтому при разработке оптических ИП необходимо учитывать не только интенсивность падающего света, но и его спектральный состав, т.к. при разных спектрах излучения и даже при одном и том же световом потоке результат воздействия на ИБС и результат измерения может быть различным. 2. Эффект воздействия света зависит от общего потока энергии излучения, падающего на ИБС со всех направлений. В связи с этим результат измерений может существенно зависеть от рассеянного света (фона), создаваемого другими источниками измерения или отражающей поверхностью ИБС. 3. При разработке оптических ИП для исследования полидисперсных БС необходимо учитывать отличие в поглощающих свойствах различных дисперсных фаз, которые могут располагаться на пути распространения света и изменять спектр света, падающего на последующие слои жидкости. 4. При выборе принципа построения оптических ИП свойств и состава БС следует учитывать, что процесс измерительного преобразования сопровождается фотохимическими и фотоабсорбционными процессами, а также электрическими эффектами. Для уменьшения или учета их влияния на результат измерения необходимо применять специальные методические и инструментальные методы и меры. Анализ зависимостей, устанавливающих связь информативных параметров потока с исследуемыми свойствами и составом БС проведем на основе картины взаимодействия падающего светового потока на ИБС (рис. 1.2.). Ф0 Ф1 Ф2

Исследуемая биологическая среда Ф3 Ф4

l Рис. 1.2. Прохождение светового потока через оптически проницаемую исследуемую биологическую среду При прохождении светового потока через ИБС интенсивность излучения ослабляется в результате поглощения (абсорбции), отражения, рассеивания. Процесс прохождения светового потока через ИБС может характеризоваться рядом коэффициентов: зеркального отражения ρзерк = Ф2/Ф0 , 19

поглощения α= Фп/Ф0, ρ до = Ф1/Ф 0 , рассеянного (диффузионного) отражения рассеянного (диффузионного) пропускания ρдп = Ф3/Ф1, направленного пропускания ρнп = Ф4/Ф0, где Ф0 – падающий на границу сред световой поток, Ф1 – световой поток диффузионного отражения, Ф2 – отраженный световой поток, Ф3 – световой поток диффузионного пропускания, Ф4 – световой поток направленного пропускания. При этом баланс световых потоков и характеризующих их коэффициентов определяется выражениями: Ф0 = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Фп ,

(1.4)

ρзерк + ρдо + ρнп + ρдп + αп = 1 .

(1.5)

В большинстве случаев одна из составляющих светового потока отсутствует. Например, для прозрачных сред принято исключать Ф1 и Ф3 , а для сильно поглощающих сред - Ф3 и Ф4. Поглощение и рассеяние светового потока происходит практически всегда избирательно. Поэтому количественная характеристика поглощения определяется при использовании монохроматического оптического излучения или излучения со строго фиксированным спектральным составом излучения. В основе принципа действия абсорбционных спектрофотометров лежит закон Бугера - Ламберта: Ф = Ф0 еxp(- кλl) ,

(1.6)

где кλ - коэффициент погашения (экстинкции), l - толщина слоя ИБС, пересекаемая световым потоком. Если учесть отражение светового потока на границах ИБЖ, то выражение примет вид: Ф = (1 - ρ)2Ф0 ехр(- кλl) ,

(1.7)

где ρ - коэффициент отражения. Поправка на отражение может достигнуть порядка десяти процентов. Закон Бугера - Ламберта можно записать в других формах: ln (Ф0/Ф) = кλl lg (Ф0/Ф) = кλ`l,

или

(1.8) (1.9)

где кλ` = кλ / 2,303 - коэффициент погашения. Этот закон выполняется с высокой степенью точности для большинства 20

веществ при изменении освещенности до 1020, а для флуоресцирующих и фосфоресцирующих веществ закон нарушается. Это приводит к необходимости в лабораторной практике учитывать возможность влияния этих эффектов при исследовании жидкостей, содержащих фотолюминесцирующие пигменты. При изучении поглощения света растворами было установлено, что коэффициент поглощения пропорционален концентрации с поглощающего вещества: кλ`= сЕλ ,

(1.10)

где Еλ- молекулярный коэффициент погашения, зависящий от свойств отдельной молекулы исследуемого вещества. Если в выражение (1.7) подставить зависимость (1.10), то основной закон абсорбционной фотометрии примет вид: Ф = Ф0 10 -сЕλl

или

(1.11)

lg (Ф0/Ф) = сЕλl = Dλ , где с - концентрация, моль / г, Dλ - оптическая плотность. Dλ = lg (1/τ λ) = -lg(τ λ ) ,

(1.12)

где τ λ - коэффициент пропускания. Этот параметр широко используется в фотометрии. Это обусловлено тем, что непосредственно определить поглощенный поток не удается, потому что регистрируют световой поток, прошедший через исследуемую БС. При этом определяют коэффициент пропускания τ λ или оптическую плотность: Dλ = -lgτ λ , где

(1.13)

τ λ = Ф/ Ф0 , Фп - поток, прошедший через исследуемую БС, Ф0- падающий поток. Важнейшим свойством при использовании абсорбционных измерителей является аддитивность величины Dλ, которая позволяет при исследовании БС, представляющих смесь «n» химически не реагирующих между собой веществ, записать: n

n

i=1

i=1

lg (Ф0/Ф) = ∑ lg (Ф0/Фi) = ∑ Dλi , го

(1.14)

где Фi - интенсивность светового потока, прошедшего через раствор iкомпонента смеси, Dλi - величина оптической плотности i-го компонента 21

раствора. Приведенные выше зависимости справедливы для монохроматического излучения. В случае использования полихроматического излучения, содержащего электромагнитные волны с длиной в диапазоне от λ1 до λ2 , падающий лучистый поток Ф0 будет определяться: λ2

Φ 0 = ∫ Φ 0 (λ )∂λ ,

(1.15)

λ1

а интегральный коэффициент пропускания: λ2

λ2

λ1

λ1

τ = [ ∫ Φ 0 (λ )τ (λ )∂λ ] / [ ∫ Φ 0 (λ )∂λ ] ,

(1.16)

где Ф0 (λ) - спектральная характеристика излучения. Величина светового потока, прошедшего через слой вещества: Ф=

λ2

∫

Ф0(λ)ехр(- кλl)dλ

или

(1.17)

λ1

Ф=

λ2

∫ λ

Ф0(λ)10 – к`λldλ

(1.18)

1

Так как коэффициент погашения зависит от длины волны излучения, то коэффициент рассеяния будет равен:

ρ0 =

λ2

∫

λ1

Ф0(λ)ρ(λ)dλ /

λ2

∫

Ф0(λ)dλ

(1.19)

λ1

Аналитически выражения можно записать для коэффициентов отражения ρз(λ) и поглощения α(λ). Следовательно, можно сделать вывод, что регистрируя значения ρ0(λ), α(λ), τ(λ) и ρ3(λ), которые различны для различных веществ, можно оценивать наличие тех или иных веществ в растворе исследуемой БС.

22

1.3.3. Отражение света Отражением света называется явление, которое состоит в том, что свет, падающий на поверхность, разделяющую две оптические среды с различными показателями преломления, частично или полностью возвращается в среду, из которой он падает. Характер отражения света от поверхности зависит от качества ее обработки, материала поверхности, температуры ее и углов падения света на поверхность.

Рис. 1.3. Три вида отражения На рис. 1.3. схематически показано распределение света при трех видах отражения. Хорошо полированные поверхности дают зеркальное отражение. В этом случае угол падения лучей равен углу отражения (рис. 1.3, а). Идеально рассеивающие матовые поверхности дают диффузное (рассеянное) отражение (рис. 1.3, в). Промежуточным видом отражения является направленно-рассеянное отражение, при котором максимум силы света совпадает с направлением зеркального отражения (рис. 1.3, б). При смешанном отражении наблюдаются одновременно свойства диффузного и направленного отражений. Отражение света от среды, оптически менее плотной, с полным возвращением в среду, из которой он падает, называется полным внутренним отражением. При графическом изображении отраженного от тела или прошедшего через тело света концы радиус-векторов, изображающих силу света или яркость образуют поверхность, которая называется фотометрической поверхностью. В результате сечения фотометрической поверхности плоскостью получается кривая линия, называемая фотометрической кривой, которая характеризует распределение интенсивности в данной плоскости сечения.

23

Для характеристики распределения светового потока в пространстве (в случае рассеянного или полурассеянного отражения) пользуются понятием коэффициента яркости, под которым понимают отношение яркости Lα поверхности в данном направлении к яркости L0 идеально матовой белой поверхности при одинаковой освещенности: rα =

Lα . L0

(1.20)

Общий коэффициент отражения ρ складывается из коэффициентов направленного ρн и диффузного ρд отражений. Согласно определению он всегда меньше единицы. Коэффициент же яркости rα может быть значительно больше единицы. Это иллюстрирует рис. 1.4, где окружность 1 изображает распределение удельной силы света, отраженного идеально рассеивающей поверхностью, а кривая 2 представляет собой кривую полурассеянного отражения от некоторой поверхности при той же освещенности.

Рис. 1.4. Распределение удельной силы света На рис. 1.4. коэффициенты яркости для направлений 0В и OD равны отношению векторов, а именно: rОВ =

ОВ ОС и rОD = , ОА ОD

где rОВ > 1, rОD < 1. Коэффициенты яркости зависят от угла падения и поэтому они определяются для случая нормального падения света. Коэффициент отражения ρ преломляющей поверхности зависит от угла i падения света на поверхность и от показателей преломления п и п' соприкасающихся сред.

24

По формуле Френеля можно подсчитать ρ для естественного света: 1 ⎡ sin 2 (i − i′)

tg 2 (i − i′) ⎤

, + ρ= ⎢ 2 2 ⎣ sin (i + i′) tg 2 (i + i′) ⎥⎦

(1.21)

где i и i΄ — связаны соотношением n sin i == п' sin i'.

При нормальном падении света формула (1.21) имеет вид 2

1 ⎡ (i − i′) ⎤ ρ= ⎢ . 2 ⎣ (i + i′) ⎥⎦

При малых углах падения, когда in ≈ i΄n΄, получим 2

1 ⎡ (n − n′) ⎤ ρ= ⎢ , 2 ⎣ (n + n′) ⎥⎦

(1.22)

Заметим, что коэффициент отражения на границе двух сред практически не зависит от того, с какой стороны падает свет на границу раздела. При расчетах отражения светового пучка от ряда поверхностей следует иметь в виду явление поляризации света при отражении, которое влияет на коэффициент отражения. Ниже даны значения коэффициента направленного отражения для некоторых материалов при комнатной температуре. Металл, осажденный на стекле путем испарения в вакууме: серебро ………….….0,95 алюминий ……….….0,87 золото ………………0,82 медь …………………0,78 никель ………………0,55 хром ……………….. 0,47 Металл, гальванически нанесенный на металлический подслой: серебро ……………..0,88—0,93 родий ……………….0,74 кадмий …………….. 0,64 хром ………………. 0,62 никель …………….. 0,55—0,60 молибден …………. 0,55 медь ……………….. 0,48 Значения коэффициентов диффузного рд отражения для некоторых материалов при комнатной температуре приведены ниже: Углекислый магний ............……. 0,97—0,98 25

Окись магния ...............……….. 0,97 Окись цинка ................... ……….. 0,91 Мел и гипс ................……………. 0,85—0,90 Фарфор белый матовый .....…....... 0,80—0,85 Фаянс белый матовый .........…..... 0,50—0,60 Ватманская бумага ...........……..... 0,76—0,82 Белая клеевая краска .......……..... 0,70—0,80 Розовая светлая краска .......….... 0,30—0,45 Красная краска (киноварь) ............ 0,13—0,14 Желтая краска (хром) ............……..0,55 Зеленая краска ...............…………0,20 Синяя краска (кобальт) .............. 0,07 Черный бархат ...............…………. 0,06—0,07 В оптических системах применяют полированные зеркальные поверхности, которые покрыты тонким слоем металла, нанесенного путем его испарения в вакууме. Коэффициент отражения от металлических покрытий в случае нормального падения лучей определяется по формуле ρ=

(n − 1) 2 + χ 2 , (n + 1) 2 + χ 2

(1.23)

где п — показатель преломления металла; χ - показатель поглощения металла. Потери света на отражение могут быть снижены путем просветления поверхностей. Просветлением называется процесс нанесения тонких пленок на поверхности оптических деталей с целью уменьшения отражения света от их поверхностей. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Толщину пленки для однослойного просветления определяют по формуле d=

(2 K + 1)λ , 4nс

(1.24)

где К — длина волны; nс — показатель преломления пленки; К = 0, 1, 2, 3 и т. д. Толщина пленки составляет около одной четверти длины волны света. Показатель преломления пленки находят по формуле nс = n ,

(1.25)

где п — показатель преломления стекла детали. Значимость просветления заключается не только в том, что уменьшается потеря света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерференции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет. 26

1.3.4. Простая шероховатая поверхность Шероховатая поверхность является сложным объектом, поэтому при разработке теории обычно принимают следующие упрощающие задачу предположения: 1) размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения; 2) радиус кривизны рассеивающих элементов много больше длины волны; 3) затенение одних элементов другими отсутствует; 4) подсчитывается электромагнитное поле только в зоне Фраунгофера; 5) многократное отражение отсутствует; 6) плотность микронеровностей не рассматривается. При исследовании живых организмом in vivo дополнительные трудности при получении объективных данных связаны с протеканием процессов жизнедеятельности в самом организме. Биологические ткани поглощают и рассеивают лучистую энергию, однако принять рассеяние диффузным можно с определенными допущениями. Для того, чтобы рассмотреть динамику взаимодействия потока лучистой энергии с тканями тела, следует учитывать размеры, плотность упаковки и форму. Например, для эритроцитов, на поверхности которых в основном происходит рассеяние света, необходимо учитывать их движение, изменение коэффициента преломления как внутри самой структуры форменных элементов крови, так и коэффициент преломления различных структур ткани и целый ряд других факторов. До настоящего времени не получены решения уравнений, описывающих распространение как направленного, так и диффузного излучения через структуры подобной сложности. Поэтому при рассмотрении распространения потока излучения через биологический объект принимают ряд допущений: структуру объекта считают однородной с некоторыми усредненными оптическими характеристиками, распределение эритроцитов в тканях равномерным, форма эритроцитов принимается за круглую, поток – неполяризованным, монохроматичным или имеющим достаточно узкий спектральный состав. Рассмотрим модель X. Дэвиса. Он ограничил свою модель шероховатой поверхности очень малыми и очень большими по сравнению с длиной волны микронеровностями. Кроме того, он считал, что локальные нормали к микрограням почти совпадают с нормалью к средней плоскости поверхности, т.е. наклон микрограней очень мал. Критерием для проверки правильности принятых моделей шероховатой поверхности, использованных Х. Дэвисом, может служить закон сохранения энергии. Полный коэффициент отражения от шероховатой поверхности запишется так ρ (Ψ,ξ ) = ρ s +

1

π

∫β

ic

cos Θdω r ,

(1.26)

2π

где первый член ρ s — коэффициент зеркального отражения, а второй — коэффициент диффузного отражения в полусфере.

27

Отклонение полного коэффициента отражения от единицы свидетельствует о некорректности модели. Коэффициент отражения в зеркальном направлении выражен формулой, определяемой теорией X. Дэвиса: ρ s = ρ 0e

−(

4πσ

λ

)2

,

(1.27)

где ρ s —коэффициент зеркального отражения исследуемой шероховатой поверхности; ρ 0 —такой же коэффициент гладкой поверхности образца из того же материала; σ—среднеквадратическое отклонение от средней линии профиля; λ — длина волны падающего излучения. Для модели X. Дэвиса единица получается только в области очень малых шероховатостей ( σ / λ ≤ 0,04 ). При больших значениях σ / λ коэффициент отражения превышает единицу и тем значительнее, чем больше отношение параметров. Отсюда следует, что модель X. Дэвиса применима только к поверхностям, у которых размер шероховатостей весьма мал и рассеяние света незначительно. Иначе говоря, расчет по способу X. Дэвиса можно производить только для достаточно гладких поверхностей. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства Оптические ИП основаны на использовании оптоэлектронных преобразователей и характеризуются большим разнообразием конструктивных и схемотехнических решений.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного преобразователя: ИИ – источник излучения; ФИ – фоновое излучение; ОС1 – оптическая система введения излучения в измерительный канал; ОС2 – оптическая система введения излучения в канал ОЭП; ОЭП – оптоэлетронный преобразователь (приемник излучения и электронная схема его включения; ИК - измерительная кювета. В общем случае оптические ИП можно представить как показано на рис. 2. Они включают ИИ, оптическую систему ОС1, позволяющую собрать лу28

чистую энергию ИИ и сформировать направленный пучок излучения на ИБС, а при необходимости промодулировать его по интенсивности, управлять спектральным составом и способностью выделять полезный сигнал на фоне сигнала от других излучателей. Кроме того в структуру оптических АИУ входит оптическая система ОС2, включающая элементы и устройства, необходимые для введения светового потока от ИБС (находящейся в кюветах, на предметных стеклах, барабанах с пробирками) в оптический канал приемника излучения, входящего в состав ОЭП. Взаимное расположение этих элементов ИП различно и определяется особенностями метода измерения и свойств ИБС. Поэтому конкретный состав функциональных узлов оптоэлектрического ИП неодинаков часто включает достаточно сложные устройства: Оптические узлы: ОС1, конденсоры, модуляторы, фильтры и другие устройства могут входить в ИИ, а корректирующие оптические фильтры ОС2 - в состав ПИ. В современных оптических измерительных преобразователях ПИ может иметь несколько независимых каналов преобразования излучения в электрическом сигнале. Система фильтров позволяет согласовывать спектральные характеристики ИИ и ПИ со спектральными характеристиками пропускания и отражения ИБС. Для достижения заданных метрологических характеристик оптических ИП необходимо проводить как структурную, так и параметрическую оптимизацию его основных преобразователей в рамках системы ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ - ИБС – ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. К основным преобразователям оптических ИП относится оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), в качестве которого в начале развития этого класса ИУ применялись электровакуумные ОЭП, а затем полупроводниковые и др. ОЭП. В основе принципа работы ОЭП нашли применение нескольких эффектов: внешний фотоэффект (электроны отрываются от поверхностного слоя при его освещении), внутренний фотоэффект (образование свободных электронов в твердом теле). Существуют ОЭП, реагирующие на изменение интенсивности излучения, его спектрального состава (спектральночувствительные ОЭП), а так же чувствительные к направлению излучения, то есть к направлению падения светового потока (позиционно-чувствительные ОЭП). По области предпочтительной спектральной чувствительности ОЭП можно разделить на группы, работающие в различных областях спектра, показанных в таблице 1.1. Область спектра Видимая Ультрафиолетовая Короткая ультрафиолетовая Вакуум –ультрафиолетовая

Таблица 1.3. Длина волн λ,нм 800-400 400-200 200-180 <180

29

При разработке оптических ИП, предпочтительных для работы со световыми потоками, характеризующимися низким уровнем интенсивности (люминесцентный анализ), созданы ОЭП, в которых светочувствительный слой охлаждается до очень низкой температуры (до 20К и ниже). В общем случае выходной ток ОЭП I фo зависит от множества факторов:

I ф = f (φ o , Δλ , T ,U ...) ,

(1.27)

где φo - величина падающего потока; Δλ - спектральный диапазон излучения; Т - абсолютная температура светочувствительного слоя ОЭП; U напряжение питания ОЭП. Эта зависимость нелинейная. Кроме того, она изменяется со временем (временной дрейф). Это приводит к появлению погрешностей измерения. Поэтому в процессе измерения одной из важнейших задач является стабилизация влияния основных внешних факторов: температуры, параметров источника питания и др. внешних условий, не связанных с измеряемым параметром. Одним из определяющих функциональных элементов в структуре оптических ИП является ОЭП. Среди его основных параметров и характеристик, являющихся принципиальными при разработке оптических ИП в первую очередь принято выделять. Интегральная чувствительность ОЭП. Эта величина, обозначаемая иногда δ инт , численно равна отношению приращения одного из выходных данных информативных параметров ОЭП к вызвавшему его воздействию (световому потоку или освещенности). Спектральная чувствительность χ ( λ ) , характеризующая реакцию ОЭП для каждой длины волны λ оптического излучения. Уровень собственных шумов. Порог чувствительности - это минимальный световой поток Φ min , который способен вызвать на выходе ОЭП информативный сигнал, который находится в заданном отношении к уровню собственных шумов (отношения сигнал / шум). Инерционность, оцениваемая постоянной времени τ переходного процесса при скачкообразном изменении величины потока излучения. Особое значение для ОЭП имеет оценка влияния собственных (внутренних) шумов на процессе измерительного преобразования. Основными видами шумов для ОЭП являются: тепловые, вызываемые хаотическим тепловым движением электронов; дробовые, определяемые тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, количество которых флуктуирует во времени; токовые шумы ( 1 / f - шум); фотонные шумы, зависящие от флуктуации числа фотонов, падающих на светочувствительный слой ОЭП. 30

2 Общий уровень шума оценивается дисперсией шума δiш , а при определении отношения сигнал / шум используется среднеквадратическое значение шума, то есть:

J =

Iф

δ iш2

,

(1.28)

где Iф - значение выходного сигнала ОЭП, на уровне которого измеряется шум. В большинстве случаев при работе ОЭП в ОИП, дисперсия шумового сигнала зависит от величины информативного (полезного) сигнала. Это приводит к непостоянству отношения сигнал / шум в рабочем диапазоне изменения измеряемого светового потока. Поэтому принято разделять ОЭП на три группы по особенностям зависимости шума выходного сигнала от уровня полезного сигнала (УПС). 1. Шумы постоянны - то есть не зависят от УПС (возможно в случае преобладания тепловых шумов): σ iщ = const = k 1 . 2. Дисперсия шума изменяется пропорционально амплитуде полезного 2

сигнала (преобладает дробовый шум): σ iщ = k 2 ⋅ I cр . 3. Дисперсия шума изменяется пропорционально квадрату амплитуды 2

полезного сигнала: σ iщ = k 3 ⋅ I c2р (где k 1 , k 2 , k 3 - постоянные коэффициенты). Необходимо учитывать, что каждый из перечисленных видов шума зависит от ширины полосы Δf, в которой оценивается их дисперсия, поэтому отношение сигнал / шум τ, а следовательно и порог чувствительности ОЭП зависят от Δf. В некоторых случаях для удобства сравнения различных типов ОЭП ис2 2 пользуют приведенное значение дисперсии: δ io = σ iщ / Δf . Функциональные свойства ОЭП описываются рядом характеристик таких как: световая характеристика (люкс - амперная); дифференциальная чувствительность ОЭП; частотная характеристика; спектр мощности шумов; температурная характеристика; вольтовы характеристики; зонные характеристики; апертурные характеристики; градационная характеристика ОЭП; порог контрастной чувствительности; эксплутационные и конструктивные особенности ОЭП. Световая характеристика (люкс амперная) представляет зависимость величины выходного тока от величины светового потока, строго определенного спектрального состава, I = f (φ ) (соответствующего спектру стандартного источника) - это энергетическая характеристика. Одним из важнейших параметров ОЭП является дифференциальная чувствительность ОЭП. Она определяется как: 2

31

Q=ΔI/ΔФ

(1.29)

Она, как правило, отличается от чувствительности в рабочей точке: Qр=Iр/Фр

(1.30)

Частотная характеристика, определяющая зависимость чувствительности QОЭП, от частоты модуляции оптического излучения: Qd=φ1(fм). Спектр мощности шумов - зависимость, описывающая распределением дисперсии шума σ iщ по частотам: σ = ϕ 2 ( f ) . Температурная характеристика, показывающая как изменяются различные параметры ОЭП (например, Q, шумы и др.) при изменении температуры чувствительного слоя. Вольтовы характеристики, которые выражают зависимость таких параметров приемников излучения как интегральная чувствительность, уровень шума и др., от питающего напряжения: Qimg= φ3(UОЭП). Апертурные характеристики, выражающие зависимость амплитуды выходного сигнала ОЭП от числа чередующихся черно-белых полос, накладываемых на поверхность светочувствительного слоя. Эта характеристика определяет разрешающую способность ОЭП. Градационная характеристика ОЭП, выражающая связь между контрастом регистрируемых сигналов и величиной перепада сигнала. На основе световой характеристики, записываемой обычно в результате аппроксимации в виде: 2

2

γ

Iф = k ⋅ Φo ,

(1.31)

где к - постоянный коэффициент, γ - показатель степени определяемой зависимости. Электрический контраст определяется зависимостью:

K э = ΔI ф / I ф max ,

(1.32)

где ΔI ф - перепад выходного сигнала, I ф max - максимальное значение сигнала. Значение электрического контраста связано с контрастом по потоку:

K n = ΔΦ o / Φ o max ,

(1.33)

где ΔΦ o - перепад в падающем световом потоке, Φ omax - максимальное значение потока. 32

Эта связь имеет вид:

K э = 1 − (1 − K n )γ

(1.34)

Обычно K э < 1, поэтому:

Kэ = γ ⋅ Kn .

(1.35)

Как следует из последнего выражения при степенной характеристике функции преобразования ОЭП равным контрастом на входе ОЭП соответствуют равные (пропорциональные) изменения электрического контраста ОЭП. Порог контрастной чувствительности - равный величине контраста по потоку, при котором формируется перепад выходного сигнала, достаточный для регистрации отличия в величине светового потоков. Этот параметр зависит от общей величины потока, на котором определяется перепад от контрастности тока. Эксплутационные и конструктивные особенности ОЭП оценивают набором таких параметров как: площадь и топология светочувствительного слоя; оптические свойства с коэффициентами преломления и отражения, апертурный угол; напряжения питания и способ его подведения; температура светочувствительного слоя и средства ее стабилизации; виброустойчивость, вибропрочность, ударная прочность и др. параметры, определяющие механические, климатические, динамические условия эксплуатации и свойства ОЭП. 1.4.1. Типовые функциональные элементы фотометрических ИП

Перечислим типы наиболее широко распространяемых ОЭП и их основные технические характеристики и параметры. Первым важнейшим функциональным элементом оптических ИП является источник излучения, используемый для воздействия (облучения) света на исследуемую пробу жидкости. Известно применение нескольких видов источников: ламп накаливания и светодиодов. Лампы накаливания. К их достоинствам могут быть отнесены: дешевизна, высокие эксплуатационные качества, легкость управления световым потоком, большой выбор. Лампы накаливания бывают непрерывного излучения, импульсного излучения, вакуумные, газонаполненные (соединение галогенов). В лабораторных оптических ИП широко применяются ксеноновые, дейтериевые ртутные лампы высокого давления. Светодиоды - это элементы, в которых реализуется явление излучательной рекомбинации p-n - переходов. К их достоинствам могут быть отнесены: малые габариты, экономичность, высокий коэффициент преобразования мощности тока, проходящего через p-n - переход в видимое или инфра33

красное излучение до 50 %, достаточно высокая монохроматичность излучения, возможность электрической модуляция светового потока. Большой выбор световодов, а так же фотодиодов позволяет разрабатывать оптические ИП, хорошо приспособленные к решению той или иной задачи путем создания специальных спектрально согласованных структур оптопар «светодиод фотодиод». Оптопара может быть выполнена в едином конструктивном исполнении, а их масса может составлять единицы граммов. Основными материалами для изготовления светодиодов служит арсенид и фосфид галлия, соединения типа GaJnP и GaAsP . В качестве ИИ могут использоваться ОКГ. Излучение такого источника в значительной степени является монохроматическим, когерентным, направленным и поляризованным, что делает применение этих ИИ весьма эффективным. Также применяются ИИ на основе искрового разряда и электрической дуги. Вторым важным элементом оптического ИП является оптический фильтр, являющийся практически обязательным. Иногда в процессе измерений оптических характеристик ИБС используется несколько фильтров. Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика пропускания τ(λ) и величина оптической плотности D. По виду спектральной характеристики фильтры подразделяются на: - полосовые, обеспечивающие пропускание в узком диапазоне длин волн и отсекающие излучение с длинами волн, не входящими в этот диапазон, - фильтры, пропускающие излучение с большей или меньшей, чем заданная, длинной волны. Выбор фильтра существенно влияет на отношение сигнал/шум, получаемые на выходе оптических АИУ. Другими требованиями, предъявляемыми к фильтрам, является механическая прочность, стабильность характеристик при разных условиях работы, технологичность изготовления. Известно применение нескольких типов фильтров. Это - абсорбционные, интерференционные и нейтральные. Абсорбционные отличает от остальных избирательность поглощения излучения. Они изготавливаются из твердых, жидких, газообразных избирательно поглощающих сред. К ним относятся цветные стекла, окрашенный желатин, пластмассы, пленки германия, кремния, пары Cl2 , Br2 , щелочно галоидные соли и другие материалы. Для монохроматизации инфракрасных излучений нашли применение кристаллической пластинки из некоторых диэлектриков NaCl, кварц и др., а в длинноволновой инфракрасной области спектра в качестве отсекающих применяются дифракционные решетки - эшелоты, действующие как регулярные, шероховатые поверхности. Интерференционные фильтры основаны на явлении интерференции излучения в пластинках и тонких пленках. Эти фильтры обладают очень узкой полосой пропускания - единицы нанометра (10-9). Такую полосу пропускания можно получить двумя путями. Первый - интерференцией двух поляризованных лучей (поляризационно-интерфереционные фильтры). Второй - мно34

голучевой интерференцией при многократных отражениях между параллельными полупрозрачными зеркалами. Из других способов реализации избирательного пропускания можно отметить так же использование эффекта полного внутреннего отражения и явления дисперсии излучения в веществе и окружающей среде. Интерференционные фильтры широко применяются в спектрофотометрических приборах. Нейтральные фильтры необходимы для ослабления или разделения потока излучения без изменения спектрального состава. Они имеют, как правило, равномерную спектральную характеристику пропускания в рабочем для оптического ИП диапазоне длин волн и интегральный коэффициент пропускания меньше 1. Интерференционный фильтр не единственный функциональный элемент оптических ИП для формирования монохроматического излучения. В лабораторных спектрофотометрах широко используются различные конструкции монохроматоров: зеркальные, решетчатые, призменные. Среди других функциональных узлов оптических ИП наибольшее разнообразие в принципах конструктивного построения имеют: прерыватели излучения, позволяющие реализовать процесс формирования импульсных потоков (вращающиеся диски, ячейки Керра и др.); компенсаторы; конденсаторы; линзы; объективы и т.п. Среди большого разнообразия оптических АИУ можно выделить: по количеству используемых кювет (одно- и двухканальные преобразователи); по способу введения светового луча в ИБС (импульсные и непрерывные); по способу создания импульсных потоков (с прерываниями или с импульсными источниками излучения); по спектру падающего светового потока (с непрерывным (сплошным) спектром светового потока или со спектром светового потока имеющим разрывы в спектре (перепады) т.е. широких или узких); по принципу временной засветки ИБС световым потоком в разных участках спектра (с последовательной во времени засветкой ИБС разными участками спектра оптического луча и с параллельной засветкой ИБС т.е. одновременно во всех участках спектра луча); по количеству одновременно неиспользуемых фотоэлектрических преобразователей (с одним или с несколькими преобразователями ОЭП). При разработке оптических ИП достаточно часто возникает задача по исключению "паразитной" засветки и потоков света, рассеиваемых деталями оптических элементов и узлов. При решении этой задачи часто применяют концепцию так называемых световых замков, при реализации которых детали оптических ИП, а так же внутренние поверхности кюветных отделений ИП чернятся (воронением, электрохимически, окрашиванием). Большое число деталей оптических систем ИП (монохроматоров, компенсаторов и др.) требуют прецизионного исполнения с привлечением высоких технологий, в том числе и технологий точной механики. Одним из жестких требований при разработке и изготовлении кювет для ИЖ является требование плоскостности и параллельности их стенок, перпен35

дикулярных ходу лучей. Основными материалами при изготовлении кювет является кварц, обычное стекло, кварцевое стекло, плексиглас, полистирол и другие прозрачные для выбранной области спектра материалы. Выводы:

Несмотря на широкие диагностические возможности фотометрических методов, техническое обеспечение исследований живого организма разработано еще недостаточно. Совершенствование существующих и создание новых методик, так необходимых для клинической практики, а также разработка новых дешевых приборов с высокими эксплуатационными характеристиками возможны только при условии эффективного использования новейших научно-технических достижений и в первую очередь оптоэлектроники и ее элементной базы, микроэлектроники и волоконно-оптической техники. Можно указать несколько перспективных направлений развития фотометрической техники для клинико-физиологических исследований. Разработка упрощенных, недорогих и узкоспециализированных 1. приборов для выполнения отдельных видов анализа. Это направление представлено большой группой гемоглобинометров, оксиметров, сахариметров и др. При разработке таких приборов спектральный и динамический диапазон, чувствительность, точность и производительность выбираются с учетом специфики соответствующего исследования. Разработка упрощенных многоцелевых приборов, рассчитанных 2. на небольшое количество исследований или на работу в узком спектральном диапазоне. Разработка спектральных анализаторов, отличающихся сложны3. ми оптическими системами, широким выбором источников излучения в разных областях спектра, высококачественными системами регистрации информации. Разработка общеаналитических приборов высокого класса на 4. модульном принципе, позволяющих с помощью основного прибора и различных вспомогательных блоков проводить различные исследования и регистрировать конечный результат как в графической, так и в цифровой формах. Такие приборы могут быть многоканальными, т.е. дают возможность проводить одновременно анализ нескольких проб, и многопрограммными, позволяющими осуществлять одновременно несколько анализов на одной пробе. 5. Разработка автоматических комплексных анализаторов, включающих оптические блоки в качестве внешних (интерфейсных) устройств, которые сопрягаются с ПЭВМ для комплексной обработки всей исследовательской информации.

36

2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов

Изучение механизма реакции оседания эритроцитов имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение; выяснение сущности процесса оседания и причин, вызывающих в одних случаях ускорение его, а в других - замедление, создает основу для определения принципов интерпретации показаний СОЭ клинической практике. На протяжении длительного периода времени, в течение которого проводилось изучение феномена оседания эритроцитов, для его объяснения была предложена не одна теория и указано большое количество фактов, которые могут оказывать влияние на процесс оседания. Однако и до сих пор суть этого явления остается невыясненной. При изучении механизма реакции оседания эритроцитов можно наметить три основных вопроса: 1. Определение факторов, оказывающих влияние на оседание, и выяснение, какие из них являются определяющими этот процесс и каким, так или иначе влияющим на его течение, можно придавать второстепенное значение; 2. Выяснение путей и способов влияния вышеуказанных факторов на оседание (механизм в узком смысле этого слова); 3. Изучение причин, обуславливающих количественное содержание в крови вещества, влияющего на оседание, или его качественное изменение. Обилие факторов, предложенных в процессе изучения и разработки вопроса, касающегося механизма оседания эритроцитов, а также изменения взглядов на роль каждого из них на протяжении многих лет разрешения данной проблемы, повлекло за собой создание значительного числа теорий, объясняющих сущность феномена оседания эритроцитов. Основываясь на изучении публикаций и данных экспериментальных исследований, можно предложить следующее объяснение механизма седиментации эритроцитов. Кровь является естественной сложной дисперсной системой, включающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодействии как между собой, так и с эритроцитами. В основе реакции оседания эритроцитов лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание суспензий является процессом, происходящим во времени; отмечая величину СОЭ, фактически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов; это происходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобулинов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве содержатся в плазме. Центральным звеном механизма увеличения СОЭ следует считать скорость образования эритроцитарных агломератов in vitro. Если наблюдать в микроскоп за процессом оседания цитратной крови в капилляре в случае ускоренного оседания эритроцитов, можно заметить образование более или менее крупных эритроцитарных скоплений. Иногда это можно наблюдать и не37

вооруженным глазом, особенно при резком увеличении СОЭ. Согласно закону Стокса, скорость падения взвешенных в жидкости частиц прямо пропорциональна квадрату их радиуса. Естественно, чем быстрее происходит в капилляре агломерация эритроцитов и чем крупнее формирующиеся частицы, тем выше должна быть СОЭ. Следует подчеркнуть, что в каждом конкретном случае СОЭ в конечном счете зависит от соотношения сил, нарушающих стабильность взвеси эритроцитов, и сил, стабилизирующих ее. Такое представление о механизме СОЭ является ключом к пониманию и правильной клинической оценке сложных и, на первый взгляд, иногда непонятных изменений оседания. Однако процесс седиментации эритроцитов отличается от простого падения свободно взвешенных в жидкости частиц и, следовательно, не полностью подчинен закону Стокса. Основным фактором, влияющим на образование монетных столбиков из эритроцитов, является белковый состав плазмы крови. Все белковые молекулы снижают Z-потенциал эритроцитов (отрицательный заряд, обусловленный отрицательно заряженными группами сиаловых кислот на эритроцитарной мембране, который способствует взаимному отталкиванию эритроцитов и поддержанию их во взвешенном состоянии), но наибольшее влияние оказывают асимметричные молекулы— фибриноген, иммуноглобулины, а также гаптоглобин. Влияние каждого из белков на скорость оседания эритроцитов изучено экспериментально, например, показано, что ускоряющий эффект фибриногена в 33 раза выше, чем α1-глобулина, в 18 раз выше - βглобулина и в 3 раза - α2-глобулина. Альбумины несут на своей поверхности заряд, обволакивая эритроциты, они препятствуют склеиванию эритроцитов и предотвращают оседание их. Глобулины имеют более высокую молекулярную массу и меньший заряд, поэтому увеличение содержания глобулинов снижает устойчивость, стабильность эритроцитов, при этом усиливаются процессы агломерации их и оседания. Тарелли и Вестергеном была предложена формула, по которой можно рассчитать СОЭ, зная концентрацию в крови фибриногена, альбуминов и глобулинов. СОЭ, мм/ч = 140,4 ⋅ фибриноген(г%) + 62,22 ⋅ глобулины(г%) – (1.36) 60,9 ⋅ альбумины (г%) - 24.5. Согласно этой формуле, особое влияние на скорость оседания оказывает содержание фибриногена. Однако степень ускорения в конечном итоге зависит от взаимоотношения белков с учетом феномена ингибиции (торможения одними белками ускоряющего влияния на оседание эритроцитов других белков). Обобщая данные литературы, можно выделить 2 основные группы факторов, влияющих на оседание эритроцитов: 1. Морфологические факторы. 38

Важную роль в оседании эритроцитов играют их количество в единице объема крови, форма и диаметр, а также количество гемоглобина в эритроцитах. С ростом концентрации эритроцитов растет сопротивление движению и скорость их оседания в плазме падает. При количестве эритроцитов более 5,5 ⋅1012/л оценка СОЭ вообще невозможна. В связи с этим при малых концентрациях (например, при анемиях) скорость оседания может быть значительно повышена, в то время как агрегация выражена слабо. Поэтому предлагаются различные формулы для нормализованного показателя оседания типа: СОЭ = 72 – 1,5 ⋅N ⋅(14 – N) или СОЭ = 42 – 7,5 ⋅N,

(1.37)

где показатель СОЭ выражен в миллиметрах за 1 час, а N – числовая концентрация эритроцитов в миллионах в одном кубическом миллиметре. Однако при учете влияния количества эритроцитов на скорость их оседания следует учитывать также свойства той плазмы, в которой она происходит, поэтому установление прямой математической зависимости между количеством красных кровяных шариков и реакцией оседания не всегда оправдано. На показатели СОЭ также оказывают влияние форма и размер эритроцитов. Число, форма и размер эритроцитов также влияют на оседание. Эритроцитопения ускоряет оседание, а эритроцитоз его замедляет, однако при выраженной серповидности, сфероцитозе, анизоцитозе скорость оседания эритроцитов может быть низкой, несмотря на анемию, поскольку форма клеток препятствует образованию монетных столбиков. В то же время увеличенные в объеме эритроциты (макроциты) оседают быстрее мелких (миафоцитов), это хорошо прослеживается при выраженном анизоцитозе, когда верхняя граница эритроцитарного столба в капилляре оказывается нечеткой из-за разной скорости оседания. 2. Физико-химические факторы. На Z - потенциал и оседание эритроцитов влияют также и физикохимические факторы: • рН плазмы: сдвиг в сторону ацидоза - снижает, в сторону алкалоза повышает СОЭ; • ионный заряд плазмы: его снижение ускоряет оседание; • содержание желчных кислот и желчных пигментов: увеличение их количества ведет к уменьшению СОЭ; • липиды крови: при увеличении содержания холестерина СОЭ увеличивается; • вязкость крови: при ее увеличении СОЭ уменьшается; • наличие антиэритроцитарных антител: изо- и аутоагглютинины, изменяя специфически эритроцитарную поверхность, способствуют их склеиванию и ускоряют оседание. 39

Ускоряющие СОЭ факторы способствуют быстрому склеиванию эритроцитов в крупные агломераты. К подобным факторам относятся субстанции, накапливающиеся в крови при инфекционных воспалительных процессах, опухолевом росте, некрозе тканей. Такими веществами являются: фибриноген, глобулин, гаптоглобин, церулоплазмин, гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, парапротеины. циркулирующие иммунные комплексы, декстраны, жировые эмульсии, пероральный прием контрацептивов, бисептола, кортизона. К факторам, ускоряющим СОЭ, относятся также беременность и анемии. К числу факторов, препятствующих агломерации эритроцитов и, следовательно, снижающие СОЭ относят: увеличение количества эритроцитов в единице объема крови, уменьшение диаметра эритроцитов (микроцитоз) и их формы (серповидность), повышение вязкости крови, снижение температуры в рабочей комнате, сдвиг рН в кислую сторону, нарастание в крови содержания билирубина, желчных кислот, холестерина, легких полипептидных цепей (белков Бенс-Джонса), при приеме лекарственных препаратов (диуретиков, салицилатов, глюкозы, хинина). В последние годы получены факты, свидетельствующие о связи феномена СОЭ с явлениями иммунитета. СОЭ может повышаться при агломерации эритроцитов ввиду адсорбции на их поверхности антигенов и антител. Кроме этого, имеются основания предположить, что замедляющее звено механизма СОЭ контролируется нервной системой. Еще Э. Бернацкий отметил, что при некоторых психических заболеваниях СОЭ резко уменьшается. Отчетливое снижение СОЭ наступает после тяжелого сотрясения головного мозга. Как показали специальные исследования, уменьшение СОЭ может зависеть от ускоренного выхода из костного мозга высокозаряженных эритроцитов, что увеличивает стабильность эритроцитной взвеси. Ретикулоцитоз часто сопровождается тенденцией к снижению СОЭ. Это отмечается, например, при вдыхании углекислого газа, при лечебном применении глюкокортикоидов, введении витамина B12 у больных пернициозной анемией и т. д. Тенденция к уменьшению СОЭ, по-видимому, является одним из глубинных гематологических проявлений при острых ситуациях, что препятствует агломерирующему действию ускоряющих СОЭ субстанций. Таким образом, оседание эритроцитов представляет собой феномен физико-химического порядка. Однако, СОЭ, будучи связана со сложными коллоидными сдвигами в клетках и тканях и представляя собой один из показателей клеточной реакции, является отражением некоторых биохимических изменений в организме. В тоже время имеются данные, позволяющие считать, что эта реакция является также проявлением более глубоких биологических процессов, связанных с иммунологическим состоянием организма. На основании изложенного можно сделать вывод, что изменение СОЭ, являясь в конечном итоге функцией физико-химических изменений крови, зависит от состояния всего организма в целом, его обменных процессов и нейрогуморальной регуляции, что обуславливает принципы его клинического применения. 40

2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм агрегации эритроцитов

Реология — это область механики, которая изучает особенности течения и деформации реальных сплошных сред, одними из представителей которых являются неньютоновские жидкости со структурной вязкостью. Типичной неньютоновской жидкостью является кровь. Реология крови, или гемореология изучает механические закономерности и особенно изменения физколлоидных свойств крови в процессе циркуляции с различной скоростью и на различных участках сосудистого русла. Движение крови в организме определяется сократительной способностью сердца, функциональным состоянием кровеносного русла, свойствами самой крови. При сравнительно малых линейных скоростях течения частицы крови смещаются параллельно друг к другу и оси сосуда. В этом случае поток крови имеет слоистый характер, и такое течение называют ламинарным. Если линейная скорость увеличивается и превышает определенную величину, различную для каждого сосуда, то ламинарное течение превращается в беспорядочное, вихревое, которое называется «турбулентным». Скорость движения крови, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное, определяется с помощью числа Рейнольдса, которое для кровеносных сосудов составляет приближенно 1160. Данные о числах Рейнольдса свидетельствуют, что турбулентность возможна лишь в начале аорты и в местах ветвления крупных сосудов. Движение крови по большинству сосудов ламинарно. Кроме линейной и объемной скорости кровотока движение крови по сосуду характеризуется еще двумя важными параметрами, так называемым «напряжением сдвига» и «скоростью сдвига». Напряжение сдвига означает силу, действующую на единицу поверхности сосуда в направлении, тангенциальном к поверхности и измеряется в дин/см2, или в Паскалях. Скорость сдвига измеряется в обратных секундах (с-1) и означает величину градиента скорости движения между параллельно движущимися слоями жидкости на единицу расстояния между ними. Вязкость крови определяется как отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, и измеряется в мПа⋅с. Вязкость цельной крови зависит от скорости сдвига в диапазоне 0,1 — -1 120 с . При скорости сдвига >100 с-1 изменения вязкости не столь выражены, а после достижения скорости сдвига 200 c-1 вязкость крови практически не изменяется. Величину вязкости, измеренную при высокой скорости сдвига (более 120 — 200 с-1), называют асимптотической вязкостью. Принципиальными факторами, влияющими на вязкость крови, являются гематокрит, свойства плазмы, агрегация и деформируемость клеточных элементов. Учитывая подавляющее большинство эритроцитов по сравнению с лейкоцитами и тромбоцитами, вязкостные свойства крови определяются в основном красными клетками. Главнейшим фактором, определяющим вязкость крови, является объ41

емная концентрация эритроцитов (их содержание и средний объем), называемая гематокритом. Гематокрит, определяемый из пробы крови путем центрифугирования, составляет примерно 0,4 — 0,5 л/л. Плазма является ньютоновской жидкостью, ее вязкость зависит от температуры и определяется составом белков крови. Более всего на вязкость плазмы влияет фибриноген (вязкость плазмы на 20% выше вязкости сыворотки) и глобулины (особенно Y-глобулины). По мнению некоторых исследователей более важным фактором, ведущим к изменению вязкости плазмы, является не абсолютное количество белков, а их соотношения: альбумин/глобулины, альбумин/фибриноген. Вязкость крови увеличивается при ее агрегации, что определяет неньютоновское поведение цельной крови, это свойство обусловлено агрегационной способностью эритроцитов. Физиологическая агрегация эритроцитов — процесс обратимый. В здоровом организме непрерывно происходит динамический процесс «агрегация – дезагрегация», и дезагрегация доминирует над агрегацией. Свойство эритроцитов образовывать агрегаты зависит от гемодинамических, плазменных, электростатических, механических и др. факторов. В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих механизм агрегации эритроцитов. Наиболее известной на сегодняшний день является теория мостикового механизма, согласно которой на поверхности эритроцита адсорбируются мостики из фибриногена или других крупномолекулярных белков, в частности Y-глобулинов, которые при уменьшении сдвиговых сил способствуют агрегации эритроцитов. Чистая сила агрегации является разностью между силой в мостиках, силой электростатического отталкивания отрицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей дезагрегацию. Механизм фиксации на эритроцитах отрицательно заряженных макромолекул: фибриногена, Y-глобулинов — пока не вполне понятен. Имеется точка зрения, что сцепление молекул происходит за счет слабых водородных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса. Существует объяснение агрегации эритроцитов посредством истощения - отсутствия высокомолекулярных белков вблизи эритроцитов, в результате чего появляется «давление взаимодействия», сходное по природе с осмотическим давлением макромолекулярного раствора, что приводит к сближению суспендированных частиц. Кроме этого, существует теория, по которой агрегация эритроцитов вызвана собственно эритроцитарными факторами, которые приводят к уменьшению дзета-потенциала эритроцитов и изменению их формы и метаболизма. Таким образом, вследствие взаимосвязи между агрегационной способностью эритроцитов и вязкостью крови для оценки реологических свойств крови необходим комплексный анализ этих показателей. Одним из наиболее доступных и широко распространенных методов измерения агрегации эритроцитов является оценка скорости седиментации эритроцитов. Однако в своем традиционном варианте этот тест является малоинформативным, так как не учитывает реологические характеристики крови. 42

2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов

С позиции законов физической химии оседание эритроцитов является своеобразной формой оседания суспензий. Кровь представляет собою с физико-химической точки зрения полидисперсную систему, включающую в себя вещества с различной степенью дисперсности: эритроциты находятся во взвешенном состоянии, белки образуют коллоидный раствор, а некоторые другие органические вещества (мочевина, глюкоза и другие) и соли представляют собою истинный раствор. Оседание эритроцитов, таким образом, происходит в сложной по своему составу дисперсной среде. Рассмотрение механизма СОЭ может быть понято более детально с точки зрения законов оседания суспензий, причем необходимо учитывать, что оседание суспензий подчиняется законам коагуляции гидрофобных коллоидов. При этом наиболее существенными моментами являются изменение дисперсности оседающей суспензии и наличие веществ, определяющих нестойкость взвеси. Что касается первого момента, то его выражением при оседании эритроцитов является агломерация последних, которая является, как было изложено выше, наиболее существенным звеном в механизме РОЭ. Что касается второго момента, то из приведенного обзора литературы следует, что наиболее ясную зависимость с оседанием эритроцитов обнаруживают белки крови. Роль белков плазмы вытекает из трех серий наблюдений: • параллелизм в изменении скорости оседания эритроцитов и содержании отдельных белковых фракций плазмы; • факт оседания эритроцитов в чистых растворах белков, причем скорость оседания изменяется параллельно изменению концентрации раствора белков; • клинические наблюдения, свидетельствующие о том, что РОЭ повышена обычно при тех болезненных состояниях, при которых наблюдается накопление в крови грубодисперсных белков. При этом следует учитывать неодинаковое значение различных белковых фракций плазмы. Наиболее постоянная зависимость устанавливается между оседанием эритроцитов и фибриногеном плазмы. Известно, что для оседания суспензий (аналогично тому явлению, которое имеет место при коагуляции коллоидов) существенное значение имеют не только свойства вещества, обусловливающего этот процесс (в данном случае фибриногена, являющегося лиофильным коллоидом), но и его количество, что объясняет наблюдающуюся корреляцию между уровнем фибриногена и выраженностью агломерации эритроцитов. Кроме того, известно, что оседание суспензий (также как коагуляция коллоидов) является процессом, протекающим во времени, что объясняет, почему оседание эритроцитов может протекать быстрее и медленнее. Это также связано с уровнем цифр фибриногена в плазме. Известно также, что в дефибринированной крови оседание эритроцитов почти не на43

блюдается. Таким образом, очевидно, фибриноген является основным веществом, приводящим взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние и обусловливающим ее оседание. В то же время детальное рассмотрение связи между скоростью оседания эритроцитов и уровнем фибриногена показывает, что не всегда она оказывается прямой и постоянной. Можно наблюдать при этом, что при относительно небольших величинах фибриногена у больного констатируется довольно высокая скорость оседания: оказывается, что в таких случаях повышено количество глобулинов; сочетание, особенно высоких цифр, фибриногена и глобулинов сопровождается очень высокой РОЭ. Важно также подчеркнуть, что оседание эритроцитов может быть более или менее ускорено у больных со значительным уменьшением количества альбуминов, в то же время при его высоких величинах (как это имеет место у здоровых) РОЭ не высока. Таким образом, глобулиновая и альбуминовая фракции плазмы также принимают участие в течение процесса оседания, причем у альбуминов констатируется тормозящая тенденция, а глобулины проявляют свое действие в сочетании с фибриногеном (в дефибринированной крови лишь очень высокие цифры глобулинов вызывают оседание эритроцитов). Разнообразная роль различных белковых фракций в процессе оседания также находит свое объяснение при рассмотрении механизма РОЭ с точки зрения законов оседания (коагуляции) и может быть объяснена явлениями коллоидной защиты и сенсибилизации. Сущность процесса коагуляции состоит в следующем: высокоустойчивые частицы того или иного лиофильного золя адсорбируются на поверхности лиофобных частиц и тем самым предохраняют их от непосредственного соприкосновения одна с другой, а, стало быть, и от агрегации. Коллоидная защита самым тесным образом связана с другим явлением прямо противоположного характера. Оно состоит в том, что прибавление некоторых лиофильных коллоидов к лиофобному не только не увеличивает, но, напротив, понижает порог коагуляции и уменьшает устойчивость этого последнего. Явление это носит название сенсибилизации и заключается в том, что сенсибилизирующий коллоид отнимает от лиофобного адсорбированные на его поверхности стабилизирующие частицы. Поскольку суспензии оседают по законам коагуляции лиофобных коллоидов, все изложенное имеет также прямое отношение к суспензиям. С этой точки зрения влияние альбуминов на оседание эритроцитов может быть интерпретировано как явление защиты; влияние глобулинов — связано с сенсибилизацией: по-видимому, глобулины сенсибилизируют взвесь эритроцитов к влиянию фибриногена. Можно полагать, что при очень больших количествах глобулины также могут выступать в качестве фактора, приводящего взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние, что может объяснить те сравнительно редкие данные эксперимента, когда в дефибринированной крови можно наблюдать оседание эритроцитов. Как следует из изложенного, в основе реакции оседания эритроцитов 44

лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание суспензий является процессом, происходящим во времени; отмечая величину РОЭ, фактически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов, сопровождающуюся более или менее выраженной скоростью ее оседания; это происходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобулинов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве имеются в плазме. Более выраженная устойчивость взвеси эритроцитов обусловлена постоянным присутствием в плазме альбуминов, в то время как с фибриногеном и глобулинами связана ее неустойчивость. Таким образом, может быть объяснен механизм реакции оседания эритроцитов. Изложенная физико-химическая теория оседания эритроцитов, не претендуя на исчерпывающую полноту, позволяет, с одной стороны, объяснить некоторые неясные стороны явления оседания, а с другой - синтезировать ряд противоречивых данных, имеющихся в литературе по вопросу о механизме реакции оседания эритроцитов. Считая фибриноген основным астабилизатором взвеси эритроцитов, нельзя ограничивать объяснение механизма оседания только лишь влиянием белков плазмы, считая их роль в явлениях оседания ведущей, поскольку не исключе возможности участия других ингредиентов плазмы в явлениях защиты и сенсибилизации; в частности, можно рассматривать полипептиды как фактор защиты. С точки зрения явлений защиты и сенсибилизации может рассматриваться также роль различных фракций глобулинов, мукопротеидов, мукополисахаридов и других веществ, описываемых в качестве факторов, играющих роль в механизме оседания эритроцитов. Кровь является естественной сложной дисперсной системой, включающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодействии как между собой, так и с эритроцитами. С точки зрения предлагаемого объяснения механизму реакции могут быть объединены различные теории оседания, как, например, электрохимическая и теория лабильности коллоидов плазмы. В самом деле, процесс коагуляции (седиментации) представляет собою сложное явление, для течения которого помимо явлений защиты и сенсибилизации, имеет значение ряд дополнительных условий. Известно, например, что седиментация наступает в изоэлектрическом пункте коллоида (правило Гарди); существенным является также влияние электролитов и среды, в которой находятся взаимодействующие вещества (концентрация Н-ионов); велико значение рН и для явлений защиты. Таким образом, с точки зрения предлагаемого объяснение оседание эритроцитов не является только показателем изменений соотношения белков плазмы, а течение РОЭ определяется всей совокупностью физикохимических изменений крови. Процесс оседания эритроцитов немонотонен во времени и можно выделить 3 четко выраженных фазы: В I фазе под действием земного притяжения эритроциты медленно оседают отдельными клетками. Эта фаза короткая. 45

Во II фазе, более длительной, происходит склеивание эритроцитов. Они образуют кучки различной величины, которые оседают уже более быстро. Агломерация эритроцитов является основным феноменом оседания эритроцитов. Без агломерации эритроциты крови здорового человека осели бы за 1 ч на 0,2 мм. В III фазе оседание эритроцитов замедляется за счет того, что агломераты располагаются очень густо, что замедляет их дальнейшее оседание. Дробным (через каждые 10 мин) регистрированием опускающегося уровня пограничной зоны показано, что при оседание агрегирующихся эритроцитов человека происходит соответственно кривой, изображенной на рис. 1.5.: вначале, в течение нескольких минут, падение медленное, затем оно ускоряется на 30 - 40 мин, а через 90 - 120 мин граница эритроцитарного столба экспоненциально выходит на практически окончательный уровень. Иногда обнаруживается S-образность седиментационной кривой h(t): первые 15 — 60 мин опускание границы плазма - эритроциты происходит крайне медленно или не происходит вообще. Вслед за этим наступает весьма быстрая фаза седиментации. «Перекрестное» исследование оседания эритроцитов из такой крови в совместимой плазме (лиц с обычной седиментацией) показало, что фактор, задерживающий начало реакции, содержится в эритроцитах, причем задержка сильно зависит от рН и температуры.

Рис. 1.5. S-образная седиментационная кривая; h—толщина слоя плазмы; кружки — значения hi. В начале оседания, т. е. за время от одной до нескольких минут, нет четкой границы раздела между чистой плазмой и оседающими эритроцитами. В дальнейшем весь столбик крови в капилляре постепенно разделяется на три зоны (рис. 1.6.): 1. Зона чистой плазмы. Начинается от верхнего мениска жидкости и доходит внизу до раздела чистой плазмы и оседающих эритроцитов. Над поверхностью раздела имеются отдельные эритроциты (или маленькие агрегаты) в весьма малой концентрации, по-видимому, отмытые от стенок трубки вторично после прохода верхней границы эритроцитарного столба, а также вынесенные из эритроци46

тарной зоны восходящими потоками; чем выше, тем меньше число и размер таких «отставших» агрегатов.

Рис. 1.6. Восходящие и нисходящие потоки в прямой (1) и наклонной (2) седиментационных трубах: а — зона чистой плазмы, б — зона потоков, в — компактная зона. 2. Зона оседающих эритроцитов. При малых концентрациях на фоне общего движения вниз существуют нисходящие и восходящие потоки эритроцитов. При больших концентрациях касающиеся друг друга агрегаты создают впечатление единого эритроцитарного остова (сети). При этом вытесняемая плазма пробивает в остове извилистые ходы, по которым поднимается с довольно значительной скоростью вверх, увлекая за собой небольшие агрегаты и отдельные эритроциты. В результате экспериментов было предложено дополнительное деление зоны оседающих эритроцитов 2 еще на три подзоны: 2-1) Верхняя спокойная подзона. Это самая верхняя, высотой 0,5 — 1 мм часть эритроцитарного столба со случайным расположением клеток, которые оседают независимо друг от друга примерно с одинаковой скоростью. 2-2) Подзона потоков. Наиболее значительная часть эритроцитарного столба, которая включает потоки эритроцитов, движущиеся вверх и вниз и возникающие из предыдущей зоны, то ускоряясь, то замедляясь (рис. 3) и разворачиваясь вверх. Обычно бывает не более двух потоков в каждом направлении, а вдоль стенок таких потоков не наблюдается. В этой подзоне, в слое толщиной 50 мкм, эритроциты оседали много медленнее, чем в центре зоны. 2-З) Нижняя спокойная подзона. Расположена тотчас над компактной зоной 3. Размеры - как и в верхней спокойной подзоне. 3. Компактная зона. В этой нижней зоне трубки все эритроциты касаются один другого, движение практически отсутствует, концентрация их максимальна. Расположение восходящих потоков в вертикальной трубке имеет случайный характер. В наклоненных капиллярах восходящие потоки вполне регулярны (рис. 3) и ускоряют оседание: уже в первые минуты кровь разделяется на слой плазмы и слой эритроцитов по всей длине трубки, и оседание представляет собой сочетание дальнейшего расслоения эритроцитов и плаз47

мы, со всплыванием чистой плазмы вверх и опускания столба эритроцитов вниз. Одиночные эритроциты человека во время оседания вращаются так, что смена способа движения (ребром вниз, наклонно или плоско) происходит приблизительно три раза в минуту. Больше половины времени падения эритроцит движется ребром вниз и скорость такого оседания (0,99 мкм/с) больше, чем скорость при движении наклонно (0,87) или плоской поверхностью вниз (0,76). Средняя скорость оседания одиночного эритроцита в физиологическом растворе (вязкость ≈ 10-3 Па ⋅ с, плотность ≈ 10-3 кг/м3) равна 0,9, хотя разброс за счет различий в диаметрах эритроцитов, их плотностях и способах падения велик: от 0,59 до 1,20 мкм/с. Опускание эритроцитов (и агрегатов) сопровождается вытеснением плазмы вверх, т. е. оседание всегда сопровождается возникновением течения. Независимо от того, принимает ли оно форму крупномасштабных восходящих и нисходящих потоков, это течение сопровождается вращением и флуктуациями эритроцитов. Сдвиговый характер течения в крупных потоках и мелкомасштабные движения могут вторично повлиять на оседание, а именно - ускорить его по мере усиления агрегации эритроцитов. Другими словами, агрегация, усиливающая начальное оседание, должна приводить к ускорению возникающих микротечений, а поэтому – к дальнейшему усилению агрегации. Таким образом, и экспериментальные исследования, и физикохимическая теория седиментации эритроцитов показывают, что центральным движущим звеном процесса оседания эритроцитов является агломерация эритороцитов под влиянием физико-химических факторов изменения крови. 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капилляре

Основой теоретического анализа процесса оседания эритроцитов служит обобщенная формула Стокса в виде: v p − v f = (ρ p − ρ f ) ⋅ g ⋅

kϖ 2 / 3

ηf

(1.38)

где vp(x,t) и vf(x,t) - скорости эритроцитов и плазмы в данный момент времени в данном сечении седиментационной трубки; ρp и ρf - истинные плотности эритроцитов и плазмы; η - вязкость плазмы; k - коэффициент, зависящий от среднего размера и формы эритроцитарных агрегатов и их объемной концентрации H, характеризующий взвесь в сечении x в момент времени t; ω - средний объем одного агрегата; g - ускорение силы тяжести. Формула (1.38) представляет собой следствие закона сохранения количества движения и имеет смысл условие приближенной равномерности (квазистационарности) движения. Формула (1.38) превращается в формулу Стокса для сферической частицы, падающей в безграничной среде, когда vf = 0 и 48

k = (6π)-1⋅(4π/3)1/3. Соотношение (1.38) содержит неизвестные функции от x, t: скорости p v (x,t) и vf(x,t), H и N = H/ω, где N – числовая концентрация агрегатов. Связь между vp(x,t) и vf(x,t) дается законом сохранения массы смеси, т.е. в данном случае формулой v p H + v f (1 − H ) = 0 и поэтому: v p = (ρ p − ρ f )g

kH 2 / 3 (1 − H ) , η f N 2/3

(1.39)

С позиции общей теории оседание (как относительное движение фаз в смеси) представляет собой диффузию, вызванную несобственным беспорядочным движением частиц, а действующей на них внешней силой. Формула (1.39) есть определяющее соотношение для двухфазной среды, имеющее смысл закона диффузии взвешенных частиц. Данная теоретическая модель седиментации эритроцитов достаточно сложна и не имеет практической реализации. Кроме этого, произвольность выбора некоторых коэффициентов при числе оптимизируемых параметров более двух. Поэтому представляется целесообразным: - во-первых, максимально упростить формализм математической модели; - во-вторых, заложить в модель реальные механические свойства эритроцита (форму, объем, площадь поверхности, мембраны, деформируемость). Диапазон практической применимости в этом случае существенно расширяется. С этой точки зрения интересной является модель, предложенная И.В.Ямайкиной и Э.В.Ивашкевичем. Математическая модель седиментации эритроцитов построена при исходных допущениях: 1. Оседание происходит «единым фронтом», без деления на зоны; 2. Концентрация эритроцитов в столике постоянна по всей высоте и в каждый данный момент зависит только от длины столбика и исходной концентрации эритроцитов; 3. Оседающие частицы можно считать сферическими; 4. Для каждого отдельного эритроцита или агрегата вся остальная среда представляется сплошной с некоторыми усредненными значениями плотности Δρ(H0) = Δρ(1-H0) и вязкости η(H0) = η(1 + αH02); 5. Эффекты спутанного увлечения плазмы не учитываются. Рассмотрим случай оседания эритроцитов в гравитационном поле. В ходе процесса их концентрация в столбике возрастает. В некоторый момент времени t скорость частиц на границе раздела будет выражаться как ⎛ H h ⎞ A ⋅ ⎜⎜1 − 0 0 ⎟⎟ h(t ) ⎠ ⎝ , v(t ) = α H 0 2 h0 2 1+1− h 2 (t )

(1.40)

49

где H0 – объемная концентрация эритроцитов; h(t) – высота столбика оседающих эритроцитов; H0 – предельная высота столбика осевших эритроцитов; α - реологический параметр; t – время; А – скорость падения эритроцита в вязкой жидкости (Re<<1). Коэффициент A рассчитывается по формуле Стокса: A=

2 gR 2 Δρ , 9η

(1.41)

где g = 9,8 м/с – ускорение свободного падения; R – гидродинамический радиус сопротивления эритроцита или агрегата клетки; Δρ - разность плотностей оседающей частицы и среды; для эритроцита в плазме Δρ = 50 кг/м3, для эритроцита в изотоническом буфере (5% раствор цитрата натрия pH 7,4) Δρ = 100 кг/м3 η - вязкость среды. Длина столбика плазмы при этом равна: t

h0 − h(t ) = ∫ v(τ )dτ .

(1.42)

0

Подставим (1.40) в (1.42) и продифференцируем правую и левую части. В результате преобразований получим в левой части функцию высоты столбика эритроцитов, а в правой – линейную функцию времени: h − h0 + H 0 h0 (1 − α ) ln

h − H 0 h0 h − H 0 h0α ln = − At h0 (1 − H 0 ) h0

(1.43)

Рассмотрим предельные случаи. В начале процесса, при t→0, кинетика оседания выражается линейным уравнением h = h0 − At (1.44) При больших временах, зависимость становится экспоненциальной и также хорошо согласуется с опытом: H = H 0 + (1 − H 0 ) exp(− kt ) k=

(1.45)

A H 0 h0 (1 + α )

где K – константа скорости оседания. Из формулы (1.45) видно, что зависимость СОЭ от показателя гематокрита при малых величинах H0 линейна; при увеличении концентрации эритроцитов она становится гиперболической. Это хорошо согласуется с данными опыта. Как видно из (1.45) начальная СОЭ и константа скорости оседания К пропорциональны квадрату среднего радиуса частицы. При осаждении эрит50

роцитов в плазме эта величина намного больше среднего радиуса эритроцита вследствие агрегации. Таким образом, измеряя h(t) при известном показателе гематокрита H0, при помощи математической модели можно вычислить средний радиус частиц R и реологический параметр крови. Вывод: Предложенная в настоящей работе математическая модель оседания эритроцита в капилляре содержит всего два параметра оптимизации (реологический и радиус гидродинамического сопротивления клетки, каждый из которых имеет реальный физический смысл. Она удовлетворительно описывает экспериментальные данные, имеющиеся в литературе. С помощью данной модели возможно исследование реологии эритроцитарных суспензий по измерениям кинетики оседания эритроцитов и вычисления реологического параметра α без применениям вискозиметра. Кроме этого, математическая модель позволяет вычислять радиус гидродинамического сопротивления клетки эритроцита, среднее число клеток в агрегатах эритроцитов по формуле N = R3 / R3е, где Rе = 4 мкм – условный радиус эритроцитов. 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ

Весьма существенное значение для получения правильных показаний СОЭ и для правильной оценки имеет методика постановки реакции. Существуют макро- и микрометоды определения скорости оседания эритроцитов. Кровь берут из вены (первая группа методов) или из пальца (вторая группа методов), смешивают с раствором какого-либо антикоагулянта, обычно оксалата или цитрата натрия (1 часть разводящей жидкости и 4 части крови), помещают в градуированный стеклянный сосуд (пипетку) и устанавливают ее вертикально. При оценке скорости оседания за постоянную величину принимают время (1 ч), относительно которого оценивают переменную величину - оседание. В нашей стране распространен микрометод в модификации Панченкова Т.П. Он принят в качестве унифицированного. Принцип: цельная кровь, консервированная цитратом натрия, при стоянии в капиллярах Панченкова разделяется на два слоя (эритроциты, плазма). Реактивы: 5% раствор цитрата натрия, рН которого должен быть 7,0 или 7,2 (нейтральная или слабощелочная). Проба стабильна в течение 2 ч при 25° С и 12 ч при 4° С. Оборудование: аппарат Панченкова, представляющий собой специальную градуированную капиллярную пипетку, имеющую просвет в 1 мм и длину 100 мм. Ход определения: Пипетку предварительно промывают 3,7% раствором цитрата натрия, затем набирают этот раствор в пипетку до метки «70» (30 51

мкл) и выливают на дно пробирки Видаля. Кровь из пальца насасывают тем же капилляром - сначала целый капилляр, затем еще до метки «80» (120 мкл). Количество цитрата и крови может быть разное - 25 мкл цитрата и 100 мкл крови, 50 мкл цитрата и 200 мкл крови, но соотношение их должно быть обязательно 1:4. Кровь помещают в пробирку с цитратом и после тщательного перемешивания вновь набирают в капиллярную пипетку до метки «О». Капилляр с цитратной кровью ставят в штатив вертикально между двумя резиновыми прокладками и оставляют на час. Через час определяют величину оседания по столбику плазмы над осевшими эритроцитами, деление капиллярной пипетки соответствующее границе плазмы и эритроцитов, записывают как величину СОЭ в миллиметрах в час. При определении СОЭ венозной крови в качестве антикоагулянта при взятии крови используют ЭДТА-Na2 (1 - 2 кристаллика на 1 мл крови, перемешивать 1 - 2 мин), а затем все, как описано выше. Результаты оценивают по линии раздела жидкой части и клеточных элементов. Очень часто при анемиях нет резкой границы между эритроцитами и плазмой за счет «вуали» из ретикулоцитов. Эта «вуаль» причисляется к столбику плазмы. Несмотря на простоту выполнения микрометода Панченкова, при его постановке требуется соблюдать аккуратность и точность. Основные причины ошибок при постановке теста СОЭ: • недостаточная глубина прокола иглой Франка. Это приводит к тому, что кровь приходится выжимать из пальца с известным усилием. Отсюда – травматизация капилляров, перемешивание крови с лимфой, что существенным образом влияет на скорость оседания. • Нарушение соотношения цитрата с кровью. При постановке реакции оседания важно соблюдать точность соотношения цитрата и крови (1:4). Более концентрированный цитрат извлекает воду из эритроцитов и ускоряет оседание. Менее концентрированный цитрат (гипотонический) вызывает поступление воды в эритроцит и замедляет СОЭ. • Качество самого цитрата. 5% раствор цитрата должен быть немутным и иметь рН нейтральный или щелочной. Кислая соль цитрата непригодна для постановки СОЭ. • Размешивание крови с цитратом. Нужно хорошо размешивать кровь с цитратом во избежании сгустков. Недостаточное перемешивание крови с цитратом приводит к задержке оседания. Следует стремиться осуществлять перемешивание крови с цитратом насасываем смеси в капилляр строго определенное число раз, чтобы избежать длительное перемешивания, травмирующего эритроциты. • Загрязнение капилляров сгустками крови, остатками. Необходимо хорошо промывать капилляр цитратом перед работой. • Неоткалиброванные капилляры. • Температурный фактор. Оптимальная температура 18 – 22 0С, при более низкой температуре оседание замедляется, при более высокой – ускоря52

ется. СОЭ в капиллярах следует устанавливать не позднее 2 ч от момента взятия крови. Для экспресс - метода используют модификацию микрометода Панченкова, которая заключается в измерении СОЭ в наклонных капиллярах. Известно, что любой наклон ускоряет оседание эритроцитов, и скорость оседания в этом случае, до известной степени, обратно пропорциональна углу их наклона. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальный угол наклона пробирки 450. Метод был предложен Т.Я. Гуровичем и П.А. Подрабинеком. Подобные исследования проводились в биохимической лаборатории 7-ой городской клинической больницы г. Казани и на базе Казанской Государственной Академии Ветеринарной медицины. Экспериментальные исследования показали, что в этом случае оседание эритроцитов идет направленно только под влиянием их агрегационных свойств без учета случайной составляющей, вызванной спонтанной агрегацией в гравитационном поле. Кроме этого, значительно сокращается продолжительность анализа (до 15 минут). Однако результаты этого метода не приведены в соответствие стандартным значениям показателя СОЭ, что существенно уменьшает их диагностическую ценность и вызывает некоторую скептическую реакцию со стороны врачей. С другой стороны, возможности метода позволяют не только проводить анализ скорости оседания эритроцитов, но также оценивать их агрегационную способность и определять величину гематокрита. Это требует разработки новой методики оценки результатов экспресс – анализа агрегационных свойств эритроцитов. 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в динамике

Как вытекает из изложенного, в основу учета показаний СОЭ в клинических условиях принят принцип выявления скорости оседания эритроцитов за определенный отрезок времени - один час, поскольку этот период наиболее четко характеризует течение процесса оседания. Уже в первые годы практического применения реакции появились работы, указывающие на клиническое значение определения СОЭ через короткие промежутки времени. При этом высота столбика осевших эритроцитов фиксируется через отдельные промежутки времени (обычно каждые пятнадцать минут), данные наносятся на ось ординат и точки, определяющие величину оседания за отдельные отрезки часа, соединяются. Кривая оседания позволяет не только судить о величине оседания, но и его характере. В последующем такая методика исследования получила название фракционной скорости оседания эритроцитов. В норме, т.е. у здорового человека, оседание эритроцитов происходит равномерно и не превышает 2 – 3 мм за каждые 15 минут. При максимальном оседании эритроциты в первой и второй четверти часа следует думать об активном воспалительном процессе. Принципы метода определения фракционной СОЭ используются в ме53

тоде сигма – СОЭ, предложенного французскими ревматологами в 1972 г. для определения эффективности лечения ревматоидного артрита. Особенность метода сигма – СОЭ заключается в использовании гепанизированной венозной крови, предварительная стандартизация гематокрита (0,35 г/л) и четырехкратный учет величин седиментации эритроцитов с последующим подсчетом суммы полученных показателей. Благодаря унификации гематокрита отчетливо выявляется влияние на СОЭ различных ингридиентов плазмы: белков, липидов, мукополисахаридов, концентрации желчных кислот и желчных пигментов, что свидетельствует о динамичности метода сигма – СОЭ и, как показали исследования, увеличивает его диагностическую ценность. Однако данный метод является более трудоемким, чем метод Панченкова, т.к. требует предварительной стандартизации гематокрита. Модификацией метода определения фракционной СОЭ является «Способ контроля физиологического состояния человека», разработанный в ЗАО Центр «Анализ веществ» Воейковым В.Л., Гурфинкель Ю.И. и др. (патент RU 2103672 кл. G01N15/05, 1998). Способ осуществляется следующим образом: при постановке теста используется микрометод в модификации Панченкова. Особенностью метода состоит в измерении времени прохождения границей эритроциты - плазмы заранее выбранных отрезков (например, 0,1, 0,5 или 1 мм), либо в фиксировании положения границы эритроциты - плазма через равные промежутки времени. Второй способ более просто поддается автоматизации. Такие измерения выявляют колебания скорости оседания эритроцитов в ходе измерения, картина которых более точно отражает физиологическое обследуемого. Прототипы данного метода не позволяют выявить подобных колебаний. На основании полученных измерений получают зависимость скорости осаждения эритроцитов от времени, характеризующуюся времени до начала колебаний скорости, частотой колебаний, максимальными значениями СОЭ, продолжительностью периода колебаний, которые является характеристичными для физиологического состояния обследуемого. Данный способ контроля физиологического состояния позволяет повысить диагностическую ценность теста СОЭ путем получения дополнительной информации о физиологическом состоянии человека на основе анализа зависимости скорости оседания эритроцитов от времени измерения. По мере углубленного изучения реакции оседания эритроцитов в динамике появилось ряд работ, исследующих зависимость различных характеров кривых оседания от физиологического состояния человека. По мнению Л. Д. Штейнберга, кривые оседания более четко характеризуют понятие «норма», чем скорость оседания эритроцитов за час. У здоровых людей, независимо от возраста, оседание происходит сравнительно равномерно, и кривая представляет собой несколько волнистую линию, приближающуюся к горизонтальной. При наличии ряда патологических процессов максимум оседания, сопровождающийся выбуханием кривой, отмечается в начальные моменты реакции: кривая «сдвигается влево». 54

Л. Д. Штейнберг различает четыре типы кривых оседания в зависимости от реактивности организма: 1) гиперреактивные, когда наиболее выражена величина оседания в первуювторую четверть часа; подобное явление наблюдается в острой фазе патологического процесса на фоне резко повышенной общей реактивности организма (ревматизм, крупозная пневмония); 2) реактивные, когда наиболее выражена скорость оседания во вторую или третью четверть часа; это имеет место при острых инфекционных заболеваниях, протекающих с достаточной реактивностью (тифы, скарлатина); 3) гипореактивные, когда максимум оседания происходит в четвертый - пятый отрезок времени; подобные кривые обнаруживаются у выздоравливающих больных или при заболеваниях, протекающих с пониженной реактивностью; 4) ареактивные плоские кривые со скоростью оседания за каждые 15 минут по 0,5 – 1 мм, они наблюдаются у больных, сопротивляемость которых резко снижена, при тяжелых общих процессах подобные кривые могут рассматриваться как прогностически плохой признак (финальная фаза туберкулезного менингита). По мнению Г.И. Бурчинского, объединяющим принципом для различных типов кривых является не принадлежность кривой к тому или иному заболеванию, а характер процесса и общая величина за один час. Тип кривой зависит от общей величины оседания за первый час: сдвиг кривой «влево» тем больше выражен, чем больше скорость оседания в течение первого часа. При большой скорости оседания, как правило, наблюдаются наибольшие выбухания в первую или вторую четверть первого часа; точно также, чем ниже оседание, тем равномернее выглядит кривая. При этом необходимо подчеркнуть, что при остро протекающих заболеваниях или обострениях хронических процессов чаще всего наблюдается максимальный подъем в первую или, реже, во вторую четверть первого часа, то есть сдвиг кривой «влево» характеризует острый характер течения процесса. Подобные кривые с выбуханием в первую четверть первого часа наблюдаются у больных в острой стадии ревматизма, при крупозной пневмонии, при нарастании эксудата в полости плевры, при острых лейкозах, при злокачественном малокровии на высоте заболевания. По мере затихания процесса наблюдается сглаживание кривой, идущее параллельно уменьшению часовой скорости оседания; при этом нередко отмечается, что в то время как величина, характеризующая скорость оседания за час, еще не успевает значительно измениться, уже можно уловить изменение характера кривой: уменьшается разница оседания в первую и во вторую четверть первого часа, а иногда, наоборот, оседание во вторую четверть первого часа превышает оседание за первую четверть. Наличие различных типов кривой оседания требует выяснения причин, которые обусловливают различный характер течения процесса оседания на протяжении первого часа. Существует мнение, что тип кривой оседания связан с накоплением в крови глобулина, являющегося полидисперсным белком, 55

и с преобладанием в плазме той или иной его дисперсной фазы: превалирование грубодисперсного глобулина сопровождается выбуханием кривой в первые четверти первого часа; накопление глобулина с преобладанием частичек средней величины сопровождается выбуханием кривой в средней части, а глобулин, изобилующий мелкими частичками, обусловливает выбухание в конце кривой. Таким образом, кривая оседания является, в сущности, изображением «дисперсного спектра» глобулинов данной сыворотки. Экспериментальные исследования показывают, что - если агломерация выражена резко, констатируется ясный сдвиг кривой влево с выбуханием ее либо в первую, либо во вторую четверть первого часа; - если увеличение фибриногена в крови выражено значительно, почти всегда наблюдается выбухание кривой в первую четверть первого часа; - в случаях, когда наблюдается одновременное увеличение фибриногена и глобулина и скорость оседания особенно высока, имеет место особенно резко выраженное выбухание кривой в первую, а также и во вторую четверть первого часа; - в случаях, когда уровень глобулина резко повышен, а фибриноген увеличен в крови нерезко, наблюдается характерный сдвиг влево, но с максимумом оседания во вторую четверть первого часа. - при нерезком увеличении содержания глобулина, при средних величинах ускорения наблюдается более равномерный тип кривой оседания. Таким образом, тип кривой оседания эритроцитов, по-видимому, может быть связан с преобладанием в плазме крови тех или иных белковых фракций. Эти данные стоят в соответствии с изложенными выше взглядами на роль альбумина, глобулина и фиброгена в процессе оседания. С точки зрения коагуляционной теории оседания изменения в характере кривой, повидимому, могут рассматриваться как проявление явной и скрытой коагуляции (седиментации). Таким образом, фракционная реакция оседания эритроцитов является более точным методом исследования, чем суммарная величина СОЭ за час и имеет большую диагностическую ценность и информативность. Анализ процесса оседания эритроцитов в динамике открывает новые возможности для экспресс-метода СОЭ. Однако вместе с этим повышается трудоемкость проведения анализа и требуется дополнительная обработка результатов исследования. Одним из рациональных решений является разработка методов автоматической регистрации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике. 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрегационных свойств клеток крови

В настоящее время многие исследователи уделяют большое внимание изучению реологических свойств крови на уровне микроциркуляции, которые определяется ее агрегационными характеристиками. Для полного описа56

ния феномена агрегации необходимо определить адекватные характеристики агрегационного процесса, такие как 1. Время, необходимое для формирования дуплетов и сети монетных столбиков агрегатов эритроцитов; 2. Координатное число укрупненных агрегатов в единице объема; 3. Оценка факторов, вызывающих агрегацию. В настоящее время ни один из методов не дает возможности определения всех трех параметров. В зависимости от используемой техники могут быть определены одновременно один либо два параметра. Исчерпывающую информацию об агрегационных способностях эритроцитов, таким образом, можно получить лишь используя по крайней мере две методики. Обычно используют две группы методов в зависимости от их способности производить либо статические, либо кинематические измерения. Проведем классификацию методов гемореологических исследований, позволяющих определять агрегационные и реологические свойства крови. 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ

Одним из самых широкоизвестных и доступных методов непрямого измерения агрегационных свойств крови является оценка скорости седиментации эритроцитов. В настоящее время в клинико-диагностических лабораториях применяется ручной метод определения скорости седиментации эритроцитов в вертикальной пробирке, при котором пробирку с исследуемой пробой помещают в аппарат Панченкова, и процесс оседания эритроцитов наблюдается визуально, а измерение величины СОЭ проводится через ограниченный промежуток времени – один час. Скорость падения сферы в жидкости по формуле Стокса прямо пропорциональна разности плотностей сферы и жидкости и квадрату радиуса шара и обратно пропорциональна вязкости жидкости. Измеряя показатель СОЭ и оценивая вязкость плазмы, соответствующее уравнение можно решить относительно эффективного диаметра агрегата. Однако скорость оседания сильно зависит от величины гематокрита и температурного фактора. Кроме этого, осаждение в вертикальной пробирке осуществляется при неконтролируемом напряжении сдвига, когда остаются неизвестными факторы образования и распада монетных столбиков агрегатов и значительную роль играет спонтанная агрегация, вызванная влиянием гравитационного поля. Данных недостатков лишен метод определения скорости оседания эритроцитов в наклонных пробирках, однако в виду несоответствия получаемых в этом случае результатов со стандартизированными значениями СОЭ, данный метод не нашел широкого применения. Модификацией анализа СОЭ является оценка скорости оседания эритроцитов в динамике – фракционное СОЭ. Этот метод более трудоемкий и требует дополнительных временных затрат со стороны исследователя. В этом случае одним из рациональных решений является использование методов автоматической регистрации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике. Существует 3 автоматических метода исследования СОЭ в динамике: 57

1. Кондуктометрический метод; 2. Электрокинетический метод. 3. Фотометрический метод; Кондуктометрический метод регистрации СОЭ основан на измерении сопротивления крови с постоянно оседающими эритроцитами. Электрический ток, проходящий через кровь, крайне мал – примерно 0,2 мА, напряжение 0,25 В, частота 10 кГц. Эритроциты при данной частоте практически является диэлектиками. Вследствие этого электрическое сопротивление крови между электродами при оседании эритроцитов на дно ячейки увеличивается, причем степень этого увеличения зависит от количества осевших эритроцитов. Электрическое сопротивление крови регистрируется в динамике и определяется как разность между сопротивлениями в данной точке (через 5, 10, 30 и 60 мин) и начальным сопротивлением крови. Однако исследования показали, что данный метод является менее чувствительным, чем ручной метод Панченкова. Кроме этого, кондуктометрический метод не позволяет оценивать агрегацию эритроцитов. Разновидностью кондуктометрического метода является определение гематокритного числа по электропроводности крови. Принцип этого метода основан на различии удельного электрического сопротивления эритроцитов и плазмы крови на низких частотах тестового воздействия (до 25 кГц). При этом рост концентрации форменных элементов крови приводит к повышению удельного электрического сопротивления крови. В основу электрокинетического метода исследования скорости оседания эритроцитов положен эффект Дорна. Он состоит в том, что при движении заряженных частиц в неподвижном столбе жидкости в ней возникает разность потенциалов. Известно, что одним из факторов, вызывающих агрегацию эритроцитов, является величина заряда мембраны. При ее увеличении возрастает способность эритроцита к агрегации. Измерение потенциала Дорна позволяет определить электрокинетическую характеристику оседания эритроцитов. Функциональная схема такого прибора представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Функциональная схема. К седиментационному сосуд 1, в котором находится исследуемая суспензия эритроцитов 2, подведены отводящие электроды 3, подключенные ко входу электрометрического усилителя 4. Его входной сигнал поступает на согласующее устройство 5 и далее на регистратор 6. Седиментационный сосуд термостатируется термостатом 7. Вся измерительная часть тщательно экранируется от возможных электрических и магнитных наводок. 58

В эксперименте используется нативная кровь, разведенная в физиологическом растворе в соотношении 1:50, антикоагулянты при этом не применяются. Диаметр седиментационного сосуда 10 мм. Осаждение проводится в гравитационном поле Земли. Используются электроды второго класса: кольцевой, игольчатый и точечной формы. Плоскость их расположения в пространстве перпендикулярна вектору скорости осаждения эритроцитов. Расстояние между электродами составляло 10 мм. Температура проведения эксперимента 20 – 230. Для регистрации возникающей разности потенциалов используется электрометрический усилитель с высокоомным входом. Зарегистрированная электрокинетическая кривая оседания эритроцитов представлена на рис. 1.8. По оси абсцисс отложено время, по оси ординат – относительное значение измеряемого потенциала. Видно, что вся седиментационная характеристика промодулирована синусообразным сигналом с частотным диапазоном 0,02 – 0,07 Гц. По мере оседания эритроцитов амплитуда сигнала уменьшается. Исследования показали, что частота и амплитуда модулирующего сигнала зависит от состояния крови в целом. Согласно современным теоретическим и экспериментальным данным, потенциал Дорна определяется зарядом, концентрацией и скоростью оседания частиц, а также электропроводностью среды, поэтому кинетика электрокинетической кривой имеет сходство с кривой оседания эритроцитов.

Рис. 1.8. Электрокинетическая кривая оседания эритроцитов. Таким образом, электрокинетические исследования эритроцитов при их седиментации являются косвенным методом оценки агрегационных свойств крови. Однако электрокинетический метод в настоящее время находится лишь на стадии исследования и еще не получены его количественные характеристики. Кроме этого, метод позволяет оценивать лишь один из факторов, влияющих на агрегационные свойства крови, – заряд мембраны эритроцитов и не учитывает вязкость крови и величину гематокрита. Фотометрический метод регистрации СОЭ в динамике основан на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через всю поверхность исследуемой пробы крови. Функциональная схема прибора изображена на рис. 1.9. 59

Рис. 1.9. Функциональная схема прибора. Излучение от источника света 1 поступает на стандартную пробирку для определения СОЭ 3. В первоначальный момент времени она перекрывается столбиком крови 4. По мере оседания эритроцитов интенсивность излучения, прошедшего через исследуемую пробу, возрастает вследствие увеличения слоя плазмы, хорошо пропускающего излучение. Далее сигнал преобразуется к удобному для обработки и регистрации виду блоком 8 и поступает на самописец 9, который регистрирует кривую оседания эритроцитов. Данный метод является лишь простым способом регистрации фотометрических свойств крови и не позволяет адекватно оценивать размеры образующихся агрегатов эритроцитов. Для оценки степени агрегации крови предложено устройство для графической регистрации фракционного состава эритроцитов, основанное на фотометрическом методе. Функциональная схема такого устройства приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Функциональная схема устройства для графической регистрации фракционного состава эритроцитов. Пробирку с исследуемой пробой крови фиксируют неподвижно в вертикальном положении в специальном держателе. При перемещении каретки 3 с помощью передаточного механизма 6 пучок света 4 проходит через стеклянную пробирку 1, заполненную исследуемой жидкостью 2, содержащей эритроциты, и попадает на фотоэлемент 5. Оптическая плотность пробирки 60

меняется в зависимости от характера распределения эритроцитов на фракции. Сигнал от фотоэлемента подается на регистрирующее устройство, на котором записывается кривая, характеризующая распределение эритроцитов на фракции. Данный метод позволяет изучать фракционный состав эритроцитов. При использовании этого метода в динамике в ходе седиментации эритроцитов возможно изучение кинетики агрегатообразования и оценка размеров микроагрегатов эритроцитов. 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микроскопическом наблюдении

Биомикроскопия является прижизненным исследованием и позволяет оценивать агрегатное состояние эритроцитов непосредственно в кровеносном русле. Основным преимуществом этого метода является его высокая чувствительность и информативность при нарушениях микроциркуляции. Феномен внутрисосудистой агрегации эритроцитов имеет определенное диагностическое и прогностическое значение, поскольку связан с изменениями соотношения белковых фракций плазмы, фибриногена, липидов, нарушениями кровотока в микрососудах, электрического потенциала эритроцитов, появлениям в крови токсических веществ, метаболитов, непосредственно вызывающих агрегацию эритроцитов. Установлено, что агрегация эритроцитов в различных участках кровотока и в органах, особенно при патологии, выражена неодинаково и может иметь как местное, так и генерализованное распространение в организме. Одним из способов реализации таких исследований является применение микрофотографии и телевизионных систем анализа изображений. Наряду с несомненными достоинствами этот метод обладает рядом недостатков, к которым относятся незначительное число исследуемых структур, большая трудоемкость подсчета количества клеток и определения размеров эритроцитарных агрегатов, а также влияние неблагоприятных условий оперативного вмешательства. Этот метод больше относится к научноисследовательским методам и не может быть использован в амбулаторных условиях. 2.6.3. Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови

Фотометрический метод является наиболее распространенным методом исследования агрегационных свойств эритроцитов. С помощью этого метода возможна количественная оценка агрегатного состояния крови – размеров и плотности микроагрегатов эритроцитов. Кроме этого, фотометрический анализ отличается от других методов (биомикроскопия, микрофотография) простотой и доступностью, что объясняет его широкое применение в клинической практике. Все фотометрические методы можно классифицировать по характеристике регистрируемого светового потока: 1. Исследование в проходящем световом потоке. 61

2. Исследование в отраженном световом потоке. Интенсивность света, прошедшего через слой суспензии эритроцитов, изменяется в соответствии с их агрегатным состоянием, которое характеризуется размерами и плотностью образующихся микроагрегатов. Этот принцип используется в фотометре для количественной автоматической регистрации агрегации эритроцитов. Функциональная схема этого устройства приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Функциональная схема фотометр для количественной автоматической регистрации агрегации эритроцитов. В качестве основы для фотометра использован микроскоп МИН – 4, установленный горизонтально. Капилляр с гепанизированной кровью помещают в термостатированную кювету 4. Изучаемый образец освещают лампой накаливания через поляризатор 2 и конденсорную линзу 3. Изображение клеток строится объективом микроскопа с 20-кратным увеличением 6 в плоскости регистрирующего устройства 7, размещенного в тубусе окуляра. Для повышения контрастности изображения использованы поляризаторы 2, которые установлены так, что оси их практически перпендикулярны друг другу. Вращение второго поляризатора относительно первого позволяет также легко регулировать интенсивность прошедшего через образец света. Поскольку изменение сопротивления фоторезистора пропорционально интенсивности падающего света, показания самописца линейно связаны с интенсивностью прошедшего через образец света. Так как изображение капилляра (слоя с глубиной резкости 200 мкм) строится объективом в плоскости регистрирующего устройства, изменение интенсивности прошедшего через образец света определяется средними размерами образующихся агрегатов эритроцитов и скоростью их движения. В этом случае используют статическое исследование агрегации эритроцитов в определенной точке суспензии крови. Возможности измерения прозрачности крови практически ограничены слоями толщиной 2..3 мм. Так как исследуемая проба крови представляет собой суспензию взвешенных эритроцитов, то на интенсивность прошедшего светового потока будут оказывать большое влияние рассеивающие свойства агрегатов эритроцитов. Кроме этого, при измерении в суспензии взвешенных 62

эритроцитов интенсивность прошедшего светового потока зависит не только от размеров и формы эритроцитов, но и от их объемной концентрации и функционального состояния гемоглобина. В связи с этим более широкое применение получили методы исследования суспензии эритроцитов в отраженном световом потоке. Для изучения агрегации эритроцитов применяют метод «силлектрометрии», сущность которого состоит в уменьшении светорассеивания после прекращения перемешивания в процессе дезагрегации-агрегации клеток. Этот принцип используется в устройстве «Агрегатометр». Функциональная схема этого устройства приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Функциональная схема устройства «Агрегатометр». «Агрегатометр» является модификацией микроколориметра МКМФ-1. В заглушке 1, входящей в комплект микроколориметра, размещается лампа микронакаливания 2 таким образом, что свет от нее был направлен на стенку кюветы 3 и после отражения от содержимого кюветы попадал на фотоэлемент 5, пройдя предварительно через красный светофильтр 6. Дезагрегацию эритроцитов вызывали интенсивным перемешиванием мешалкой 7, насажанной на вал электродвигателя. Агрегация эритроцитов регистрируется на графопостроителе. Разновидностью конструкции агрегатометра является пьезодинамический агрегатометр. В поле микроскопа со встроенным фоторезистором располагается предметное стекло с наклеенным на расстоянии 3 диаметров эритроцита покровным стеклом. На покровном стекле жестко закреплен пьезокристалл, питаемый от звукового генератора. В полость между стеклами вводится проба гепаринизированной цельной крови. По мере увеличения напряжения звукового генератора возрастает мощность колебания верхнего стекла, и агрегаты начинают разрушаться. Соответственно меняются экстинция и сигнал с фоторезистора. По достижении полной дезагрегации и выход кривой, регистрируемой самописцем, на плато, напряжение сбрасывается и регистрируется процесс спонтанной агрегации. Метод прост в техническом обеспечении, достаточно информативен, воспроизводим и очень чувствителен. 63

2.7. Методы измерения реологических свойств крови

Исходя из исследования реологических характеристик крови и влияющих на них факторов можно заключить, что основное значение для оценки реологических свойств крови имеет ее агрегационное состояние. В настоящее время многие исследователи большее внимание уделяют изучению микрореологических свойств крови, хотя использование вискозиметрии не утратило своей актуальности. Рассмотрим основные методы измерения реологических свойств крови с помощью вискозиметрии. Все существующие вискозиметры условно разделяются на 2 группы: с однородным полем напряжений и деформаций — ротационные реометры с различной геометрией рабочих частей (цилиндрические, дисковые, конусплоскость и др.) и относительно неоднородным полем напряжений и деформаций — капиллярные вискозиметры, приборы, работающие по методу Стокса, по принципу регистрации механических, электрических, акустических колебаний. В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа вискозиметров - капиллярные и ротационные. В основу капиллярных вискозиметров положено плоское сдвиговое течение. В этих вискозиметрах жидкость протекает по трубке с точно известными размерами под действием заданной разницы давлений между концами трубки. В ротационных вискозиметрах, или реометрах, сдвиговое течение осуществляется вращательным движением и рассчитывается по формулам, взятым из гидродинамики. Исследуемую жидкость помещают в зазор между двумя соосными цилиндрами или конусами (могут быть применены и другие поверхности вращения, располагаемые соосно). Один из цилиндров (чаще всего внутренний) укрепляют к динамометру, а другой приводят во вращение с определенной угловой скоростью. Вследствие вязкого сопротивления жидкости, заключенной между цилиндрами или конусами, возникает момент вращения. Вязкость оценивают по величине момента вращения. Применяют также вискозиметры, в которых внутренний цилиндр плавает в испытуемой жидкости. Вязкость в этом случае оценивают по угловой скорости свободно плавающего цилиндра, который может быть приведен во вращение магнитом, взаимодействующим с железным сердечником, помещаемым внутри цилиндра или роторной насадкой, погруженной в передаточную жидкость, заливаемую в полый цилиндр. В настоящее время предложены различные модификации ротационных реометров. Наиболее распространенные – промышленные вискозиметры фирмы Brookfield (США), Contraves (Швейцария). У нас широкое распространение получил вискозиметр со свободно плавающим цилиндром конструкции В.Н. Захарченко. Вязкость биологических жидкостей ньютоновского типа изучают с помощью вибрационных методов, основанных на возбуждении колебаний в жидкости и измерении скорости их затихания (к приборам такого типа относятся ультразвуковые вискозиметры), 64

путем определения времени падения шарика между двумя отметками в трубке, заполненной исследуемой жидкостью (вискозиметр Гепплера) и др. В заключении следует отметить, что несомненный прогресс в развитии реологической техники позволяет изучать биофизические и биохимические свойства крови для управления микрорегуляцией при гемодинамических и метаболических расстройствах. Вместе с этим, на сегодняшний день использование различных методов определения гемореологических параметров не позволяет найти стандарты количественного контроля, что необходимо для клинической практики. Таким образом, несмотря на успехи в исследовании реологических свойств крови, достижения в применении гемореологических методов исследования в клинике и в приложении этих данных к диагностике, прогнозированию течения и исхода заболеваний, актуальной остается задача разработки методов анализа гемореологии, объективно отражающих агрегационные и реологические свойства крови. 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ

Изменения крови при заболеваниях крайне разнообразны и зависят от тяжести процесса, общей реактивности организма и сопутствующих осложнений. При анализе гематологических изменений необходимо учитывать, что существенное влияние могут оказывать различные лечебные и диагностические воздействия: медикоментозное лечение, оперативные вмешательства, физиотерапия, лучевая терапия, диагностические процедуры. При гематологической патологии исследования клеток крови приобретают первостепенное диагностическое значение. Лабораторное обследование необходимо проводить с учетом клинических данных и состояния больного. С помощью показателей клеток крови проводится дифференциальная диагностика, выбирается схема лечения, наблюдаются результаты терапии и т. д. В сложившейся к настоящему времени системе клинического мышления гематологические данные имеют очень важное значение, так как являются одним из существенных элементов характеристики клинико-физиологического статуса больного и динамики развития болезни. Использование результатов исследования крови составляет неотъемлемое звено процесса диагностики и последующего наблюдения за результатами развития патологического процесса на фоне проводимых лечебных мероприятий. Исследование скорости оседания эритроцитов (СОЭ) в настоящее время является одним из широко используемых неспецифических гематологических тестов. Скорость оседания эритроцитов в норме меняется в зависимости от возраста и пола. У новорожденных СОЭ редко выше 2 мм/ч, вероятно, из-за высокого гематокрита, малого содержания в крови белков вообще и глобулинов в частности, гипохолестеринемии, ацидоза; дети имеют более низкую скорость оседания (1 - 8 мм/ч), чем взрослые, а лица среднего возраста 65

меньше, чем старики (от 11 до 30 мм/ч). У мужчин СОЭ более низкая (в среднем 5 мм/ч, колебания от 1 до 10 мм/ч), чем у женщин (в среднем 9 мм/ч, колебания от 2 до 15 мм/ч), что зависит, как считают, от концентрации в крови андрогенных гормонов. Скорость оседания увеличивается у женщин во время беременности (после 3-го месяца) и остается повышенной около трех недель после родов (что зависит частично от увеличения объема плазмы, повышения содержания в крови глобулинов, холестерина и падения кальция), во время менструации (умеренно). Ускорение оседания эритроцитов наблюдается при сухоедении, голодании (СОЭ увеличивается параллельно увеличению в крови фибриногена и глобулинов вследствие распада белков тканей), введении некоторых лекарственных препаратов (контрацептивы, высокомолекулярные декстраны), вакцинации (например, против брюшного тифа) и т.д. Изменения СОЭ, отмечаемые в патологии, нередко имеют диагностическое, дифференциально-диагностическое, прогностическое значение и могут служить показателем эффективности терапии. Поскольку скорость оседания эритроцитов зависит в основном от белковых сдвигов в крови (увеличения содержания фибриногена, α-глобулинов, особенно α-макроглобулина и гаптоглобина, γ-глобулинов), то увеличение СОЭ наблюдается при всех состояниях, сопровождающихся воспалением, деструкцией соединительной ткани, тканевым некрозом, иммунными нарушениями. Связь степени увеличения СОЭ с отдельными клиническими формами внутренней патологии представлена в таблице 1.2. Таблица 1.2. Изменения СОЭ в патологии Изменения, причины 1.Значительное увеличение: - Опухолевые заболевания

-

Болезни ткани

-

Тяжелые инфекции

-

Болезни почек

-

соединительной

Выраженные анемии 2.Умеренное увеличение

Клинические формы Множественная миелома и макроглобулинемия Вальденстрема, лимфогранулематоз, лимфома, острый лейкоз, карцинома, саркома. Системная красная волчанка, периартериит, склеродермия.

узелковый

Септицемия, подострый бактериальный эндокардит. Гломерулонефрит, амилоидоз, протекающие с нефротическим синдромом, уремия. Пернизиозная анемия. Острые и хронические заболевания, локализованные гнойные процессы, ревматоидный артрит, геморрагический васкулит, инфаркт миокарда, гипертиреоз, тяжелый сахарный диабет, гепатиты (острый и хронический активный), острый и хронический гломерулонефриты, амилоидоз 66

3.Низкая оседания

или

почек, внутренние кровотечения, интоксиации ртутью и мышьяком. Эритремия, анафиликтический шок, тяжелая серотсутствие дечная декомпенсация, неврозы, эпилепсия, серповидноклеточная анемия, гемоглобинопатия С.

При миеломной болезни и макроглобулинемии Вальденстрема ускорение оседания эритроцитов может быть очень резким (80 - 90 мм/ч), что объясняется свойственной этим гемопластозам гипер- и дисглобулинемией за счет моноклональной гипериммуноглобулинемии (выработка опухолевым клоном клеток - плазматическими при миеломной болезни и лимфоидными при макроглобулинемии Вальденстрема, иммуноглобулинов какого-либо одного класса - IgG или реже IgA при множественной миеломе и IgM при макроглобулинемии Вальденстрема). Моноклональная иммуноглобулинопатия, обычно IgG-типа, отмечается также при лимфосаркоме, некоторых других опухолях (карциноме прямой и сигмовидной кишки, карциноме молочной железы и простаты). При острых инфекциях СОЭ начинает увеличиваться со 2 - 3 дня от начала заболевания, максимальные показатели отмечаются сравнительно поздно, иногда, например при крупозной пневмонии, уже после кризиса в начальной фазе клинического улучшения. Неувеличенная СОЭ характерна для ранних стадий неосложненных вирусных инфекций (болезни Боткина, коклюша и др.), брюшного тифа, первых суток острого аппендицита. Длительно повышенная СОЭ или новое ее увеличение при инфекциях является диагностическим признаком возникновения осложнений. При рано установленном туберкулезе легких СОЭ часто нормальная, она повышается с прогрессированием процесса или присоединением осложнений (плевральный выпот и т. д.) и может быстро снизиться после начала противотуберкулезной терапии (нередко до рентгенологических признаков улучшения). Активный ревматизм сопровождается повышением скорости оседания эритроцитов, но при присоединении сердечной недостаточности кардит может протекать с низкой СОЭ вследствие влияния замедляющих оседание факторов - сгущения крови, ацидоза. Их устранение при восстановлении сердечной компенсации ведет к повышению скорости оседания эритроцитов, что, однако, не означает ухудшения состояния больного. Паренхиматозные поражения печени могут характеризоваться разной степенью увеличения СОЭ, что зависит от различных сочетаний в белковом спектре крови, влияния желчных кислот и других факторов. Так, СОЭ повышается при хроническом активном гепатите (нередко значительно), но может быть низкой при циррозе печени вследствие гипофибриногенемии, гипохолестеринемии, повышенного содержания желчных кислот и билирубина. Заболевания почек обычно сопровождаются резким ускорением оседания эритроцитов, если протекают с нефротическим синдромом, для которого характерна массивная протеинурия и связанная с ней гипоальбуминемия, ги67

перфибриногенемия, не только относительная, но и абсолютная гиперглобулинемия. Увеличение СОЭ свойственно уремии (белковые сдвиги, нарушения электролитного баланса, рН плазмы крови, анемия), раку паренхимы почек, также как злокачественным опухолям другой локализации, особенно с метастазами. Повышение СОЭ отмечается при инфаркте миокарда (в отличие от стенокардии), причем его нужно оценивать с динамикой лейкоцитоза: лейкоцитоз возникает в первые сутки инфаркта и затем быстро убывает, а увеличение СОЭ начинается через 2 - 4 дня от начала заболевания и держится дольше (так называемые ножницы кривых лейкоцитоза и СОЭ). Ускорение оседания эритроцитов, часто резкое, при системной красной волчанке является важным признаком в оценке активности заболевания (наряду с другими лабораторными показателями - цитопенией крови, LEклетками, антинуклеарным фактором, уровнем иммуноглобулинов) и выборе адекватной дозы кортикостероидов, а снижение СОЭ - в контроле эффективности лечения и стойкости достигнутой ремиссии. Значительное увеличение СОЭ отражает в известной степени активность патологического процесса (иммунологические сдвиги, степень деструктивных процессов в соединительной ткани) и при других заболеваниях этой группы (узелковый периартериит, склеродермия, дерматомиозит) и ревматоидном артрите, причем при ревматоидном артрите оно может служить вспомогательным дифференциально-диагностическим признаком от обменных артритов и остеоартрозов, протекающих обычно с нормальной СОЭ. Болезни обмена веществ, например тяжелый сахарный диабет и тиреотоксикоз, сопровождаются повышением СОЭ, нарастающей параллельно выраженности интоксикации и распада тканей и нормализующейся после успешного лечения. При анемиях степень увеличения СОЭ зависит от числа и свойств самих эритроцитов, она выше при макроцитарных (мегалобластпой) и гемолитических анемиях. Исключением является микросфероцитарная анемия, пари которой форма эритроцитов препятствует агломерации. Таким образом, изменение СОЭ обусловлено разнообразными физикохимическими изменениями плазмы крови и морфологическими особенностями эритроцитов и имеет глубокий клинический смысл. Вместе с тем, для объективной оценки патологического процесса необходимо проводить комплексный анализ СОЭ в совокупности с гемореологическими характеристиками крови.

68

3. Фотоплетизмография 3.1. Введение в фотоплетизмографию

Плетизмография — способ регистрации изменений объема тела или части его, связанных с динамикой кровенаполнения. Общая плетизмография или body plethys-mography используется для исследования функций внешнего дыхания и минутного объема кровообращения. С помощью плетизмографии можно оценить сосудистый тонус и при использовании различных проб составить представление об органической или функциональной природе сосудистых изменений. Регистрация плетизмограмм производится специальными приборами плетизмографами различной конструкции (водяные, электро-, фотоплетизмографы). Каждый из них имеет плетизмографический рецептор и датчик измерительного устройства. В зависимости от характера сигнала, получаемого при изменении кровенаполнения, различают механическую плетизмографию, при которой обследуемая часть тела заключается в герметически закрывающийся сосуд с твердыми стенками, а колебания объема регистрируются благодаря воздушной или водяной передаче, электроплетизмографию отражающую динамику электропроводимости в зависимости от степени кровенаполнения (она называется также импедансной плетизмографией, реографией, ее разновидности транстрахеальная, полисегментарная, электроплетизмография и др.), фотоэлектрическая плетизмография или денсография, в основе которой лежит оценка светопроницаемости органов или части тела в зависимости от степени кровенаполнения.

Рис. 1.13. Типичный фотоплетизмографический сигнал. На рис. 1.13. представлена типичная фотоплетизмограмма. Значение амплитуды объемного пульса, полного окклюзионного прироста кровенаполнения и объемной скорости кровотока в некоторых частях тела здоровых лиц представлены в табл. 1.3.

69

Часть тела

Амплитуда объемного пульса см3

Палец кисти (на 100 см3 ткани) Голень (на 100 см3 ткани) Орбита (глазница) Покровы черепа в височной области (диаметр воронки рецептора 2 см)

0,008 − 0,015

Таблица 1.3. Полный окклюзион- Объемная ный прирост объема скорость кровенаполнения час- кровотока, см3/МИН ти тела в см3 0,015 − 0,045 15 − 30

0,09 − 0,15

0,25 − 0,6

2,5 − 6,5

0,008 − 0,016 0,004 − 0,01

0,001 − 0,06 0,001 − 0,05

1,5 − 2,5 1,1 − 1,5

Следует отметить, что электроплетизмография имеет множество недостатков. Прежде всего, воздействие даже слабого переменного тока на рецепторы кожи может вызвать рефлекторные изменения кровенаполнения. Кроме того, электропроводность тканей меняется в зависимости от химического состава, температуры, вязкости и скорости кровотока, которые непостоянны в процессе исследования. Принципиально от электроплетизмографов отличаются фотоплетизмографы. Под словом "фото" подразумевается принцип работы датчика. Этот принцип и название были заимствованы медиками из применяемых в физике приборов − фотометров. Метод фотоплетизмографии основан на том, что исследуемая ткань через специальный световод и светофильтры просвечивается монохроматическим светом, который после рассеивания или отражения попадает на фотоэлектропреобразователь, вызывая изменения фототока. Установлено, что интенсивность света, отраженного или рассеянного тканью, является функцией количества содержащейся в ней крови. Поскольку коэффициент поглощения инфракрасного света кровью значительно выше, чем тканью, фотоплетизмография регистрирует лишь изменения содержания крови. При этом рассеивание света происходит в основном за счет отражения от поверхности эритроцитов. Фотоплетизмография − динамический метод измерения, который может ответить на вопрос, на сколько изменился тот или иной параметр периферического кровообращения, исходя из абсолютного нулевого уровня для того или иного человека. Фотоплетизмограф может быть применен для количественного изучения различных параметров кровообращения в коже и слизистых оболочках тела человека и для количественной регистрации сосудистых рефлексов как показателя состояния сосудодвигательных центров. Фотоплетизмографы по сравнению с электроплетизмографами обладают следующими преимуществами: более высокая чувствительность, линейность 70

измерения датчиком, портативность и быстрота записи, отсутствие помех, связанных с инерционностью преобразователя, возможность регистрации сосудов в любой области кожи и слизистых оболочек человека. Кроме того, фотодатчик не вызывает сдавления исследуемого участка, т.е. не вносит нарушения кровообращения. Основная причина малого распространения фотоплетизмографов − это отсутствие единых технических требований к отдельным узлам современных аппаратов и унифицированной методики количественного анализа кривых, а также нормальных для здорового человека показателей. Области применения фотоплетизмографии трудно перечислить: физиология, патофизиология, терапия, хирургия, дерматология, гинекология, невропатология, педиатрия, оториноларингология и др. Клиницисты могут использовать ее как дополнительный метод для диагностики заболевания и научно-исследовательской работе. Некоторую помощь она окажет гигиенистам, спортивным медикам, а также врачам, работающим в области космической медицины. При преждевременном старении на первый план выступают изменения сосудистой реактивности, обусловленные нарушениями вегетативной нервной системы и периферических сосудов, что важно для геронтологии. Фотоплетизмогафия, как и другие объективные методы диагностики, уточняет прогноз и помогает выявить показания к воздействию на вегетативную нервную систему; она может служить для оценки симпатической иннервации кожи, применяться при дианостики болезни Рейно, ранних форм атеросклероза, тромбофлебита, облитерирующего эндартериита и др. Этот метод может быть контролем глубины спинномозговой анестезии (одновременная регистрация сосудистых реакций с пальца руки и ноги). Кроме того, фотоплетизмография имеет вспомогательное диагностическое и прогностическое значение при изучении многих сердечно-сосудистых и нервных заболеваний, которые являются сейчас самой частой причиной смерти и инвалидности в молодом возрасте. Существует две разновидности фотоплетизмографических медотов − фотоплетизмография в отраженном свете и фотоплетизмография в проходящем свете. Чаще всего выполняются исследования в проходящем свете, в силу того, что в данном случае осуществляется прямая оценка кровенаполнения в изучаемом участке биологического объекта. Но зачастую бывает довольно сложно провести такие исследования, например, для оптически малопрозрачных биологических объектов или для труднодоступных участков объектов. Тогда используют метод фотоплетизмографии в отраженном свете, который не только позволяет оценить общий кровоток в изучаемом участке, но и дает интегральную оценку свойств поверхности исследования. При исследованиях образцов крови и плазмы оказалось, что наименьшим коэффициентом пропускания обладает кровь, что определяется наличием в ней форменных элементов. Наибольший коэффициент отражения установлен у кожи, наименьший − у хлорвиниловой трубки, заполненной кровью. Для сосудов различного диаметра максимальная величина сигнала для ис71

пользуемого датчика достигается на расстоянии 4 мм при исследовании в отраженном свете, причем этот показатель изменяется в 4 раза для тканей челюстно-лицевой области. Для имитаторов биологических объектов величина сигнала изменяется в 7 раз, а максимальным сигналам не соответствует одно и то же расстояние между имитатором и фотоплетизмографическим датчиком (т.е. максимумы кривых не лежат на одной и той же вертикальной прямой). Наибольшим коэффициентом пропускания обладает жировая ткань, а наименьшим − сосуд, заполненный кровью. Таким образом, экспериментально установлено, что биологические ткани невозможно иммитировать, поскольку полученные при этом результаты исследований неадекватны и значительно отличаются. Максимальному сигналу при исследовании тканей в проходящем свете соответствует такое положение фотоплетизмографического датчика, при котором светодиод отстоит от ткани на 2 мм, а фотодиод находится в контакте с ней. Проведенные эксперименты позволяют констатировать, что запись фотоплетизмограммы при исследованиях биологических тканей в проходящем свете дает информацию о непосредственном изменении кровотока в них, так как все изученные ткани относительно "прозрачны" по сравнению с кровью, а запись фотоплетизмограммы в отраженном свете несет в себе информацию только об изменении положения ближайшей к фотоплетизмографическому датчику поверхности. 1.

2.

3.

4. 5. 6. 7.

Таким образом, из вышесказанного можно сделать выводы: Фотоплетизмография имеет вспомогательное диагностическое и прогностическое значение при изучении многих сердечно-сосудистых и нервных заболеваний, которые являются сейчас самой частой причиной смерти и инвалидности в молодом возрасте; Фотоплетизмографы по сравнению с электроплетизмографами обладают следующими преимуществами: более высокая чувствительность, линейность измерения датчиком, портативность и быстрота записи, отсутствие помех, связанных с инерционностью преобразователя, возможность регистрации сосудов в любой области кожи и слизистых оболочек человека. Кроме того, фотодатчик не вызывает сдавления исследуемого участка, т.е. не вносит нарушения кровообращения. При исследованиях в отраженном свете для регистрации максимального сигнала фотоплетизмографический датчик следует устанавливать так, чтобы он не контактировал с исследуемой тканью, находился на расстоянии 3-4 мм от нее; При изучении тканей в проходящем свете излучатель следует помещать на расстоянии 1-2 мм от ткани, а приемник лучистой энергии на нее; Кровь сильно поглащает световую энергию; Рассеивание световой энергии в основном определяется наличием в ней форменных элементов крови; Возрастание величины сигнала меняется при изменении расстояния между тканью и датчиком; 72

8. Изменение объема крови в тканях не вызывает значительного повышения величины электрического сигнала; 9. С достаточной степенью уверенности можно сказать, что запись фотоплетизмограммы в проходящем свете несет информацию о непосредственном изменении интенсивности кровотока в тканях, а для отраженного света фотоплетизмографический датчик улавливает только изменение положения ближайшей к нему поверхности, пульсация которой связана с изменением интенсивности кровотока в тканях. 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем

В канале измерения кровотока в пищеводе для увелечения эффективности сбора информации необходимо между источником излучения и приемником излучения поставить прямой круговой конус (в дальнейшем конус). Диаметр основания конуса будет равняться диаметру измерительного зонда. Необходимо определить оптимальный угол при вершине конуса. Расчет оптимального угла при вершине конуса. Исходные данные: а=2 мм; в=4 мм; с=3 мм; d=5 мм; где а − расстояние от вершины конуса до приемной площадки фототранзистора, в − диаметр зонда канала измерения кровотока в пищеводе, с − расстояние от источника оптического излучения до конуса; d − рассояние от источника излучения до стенки пищевода (рис. 1.14.). Вначале рассчитаем угол θ − угол охвата облучаемой поверхности, когда вместо конуса стоит непрозрачная пластинка. Для простоты примем диаметр пластинки равный 0. Также сделаем допущение, что источник излучения точечный, см. рис.1.15.

73

b

a

A

B

c

O

g a 1

M a- x

x

N

a 2

Q

d

P

a a aa 2

2

1

1

C

D

Рис. 1.14. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится непрозрачная пластинка. Из треугольника АОС:

a+c tgα1 = 2 ; d

Тогда: ⎡ 2 + 3⎤ ⎡a + c⎤ arctg = ⎢ 2 • 5 ⎥ = 26,56° ; ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ 2d ⎦

α1 = arctg ⎢

Из треугольника ОВN: tgγ=b/2/c; ⎡ 4 ⎤ ⎥ = 33,6°; ⎣ 2 • 3⎦

γ = arctg ⎢

αmax=90° − 33,6°=56,4°; т.е. угол α принадлежит диапазону: α ∈ (0;56,4]; Из треугольника PMD: tgα 2 =

Также из треугольника АСО: tgα 2 =

x b d− 2

;

a−x+c ; d

(1.46)

(1.47)

Приравняем правые части уравнений (1.46) и (1.47) и найдем значение х: x 4 5− 2

=

2− x+3 ; 5

x 5− x = ; 3 5 5x=15-3x; 8x=15; x=1,875. Подставим значение х в уравнение (1): 74

tgα 2 =

1,875 1,875 = = 0,625; 4 3 5− 2

α2=32,005°; θ=α2-α1=32,005° − 26,56° = 5,445°. Таким образом, если отсутствует конус, то угол охвата облучаемой поверхности равен 5,445°. Теперь расчитаем угол θ для случая показанного на рис. 1.15.

F

b

х

P

с

L

O

z

w

в

а

A B E C D x- y

1

Q a 2

d

у

a

a 1

a 2

H

R

K

Рис. 1.15. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится конус. θ = α2 − α1 Вначале проведем расчет α2: Из треугольника PEM: tgα 2 =

Из треугольника OMK: tgα 2 =

a+ y ; b d− 2 x− y+c ; d

(1.48)

(1.49)

(1.50)

Из треугольника АLB: b tg = 2 ; 2 x

β

(1.51)

Из уравнения (1.51): x=

b ; ⎛β⎞ 2tg ⎜ ⎟ ⎝2⎠

(1.52)

Приравняем правые части равнений (1.49) и (1.50):

75

a+ y x− y+c = ; b d d− 2

Подставим численные значения:

2+ y x− y+3 = ; 4 5 5− 2 2+ y x− y+3 = ; 3 5 10 + 5 y = 3 x − 3 y + 9

8y − 3x = −1; y=

3x − 1 ; 8

(1.53)

Подставим (1.52) в (1.53):

6 3• 4 −1 −1 ⎛β⎞ ⎛β⎞ tg ⎜ ⎟ 2tg ⎜ ⎟ 2 2⎠ ⎝ y= = ⎝ ⎠ = 8 8

3 1 − ; ⎛β ⎞ 8 4tg ⎜ ⎟ ⎝2⎠

(1.54)

Подставим (1.54) в (1.49): tgα 2 =

=

5 + 8

2+ y 2 y 2 = + = + 3 3 3 3

3 1 15 1 − = + = 8 • 3 24 ⎛β⎞ ⎛β ⎞ 4 • tg ⎜ ⎟ • 3 4 • tg ⎜ ⎟ ⎝2⎠ ⎝2⎠

1 ; ⎛β ⎞ 4 • tg ⎜ ⎟ ⎝2⎠

Отсюда: ⎤ ⎡ ⎢5 1 ⎥ ⎥; α 2 = arctg ⎢ + ⎛ β ⎞⎥ ⎢8 4tg ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 2 ⎠⎦ ⎣

(1.55)

Теперь проведем расчет α1: Примем другие обозначения (рис. 1.16.)

76

b

F

w

L

с

z

P e

O

g

a 1

f A y B E C D d

w

в

а

gЕ

a 1

a 1

R

K

Рис. 1.16. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится конус (для расчета угла α1). Из треугольника АВС: 90° − ω + 90° + α1 + β/2 = 180°; откуда: ω = α1 + β/2. (1.56) Из треугольника ORK: tgα1 =

c−g ; d

(1.57)

⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ tgα1 = ; ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎛β⎞ ⎛β ⎞ 16tg ⎜ ⎟ sin ⎜ ⎟ + 8tg ⎜ ⎟ cos β + 2tg ⎜ ⎟ sin β + 2 sin β ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎤ ⎡ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎥ ⎢ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎥; (1.58) α1 = arctg ⎢ ⎛β ⎞ ⎛β⎞ ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎥ ⎢ ⎢16tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin ⎜⎝ 2 ⎟⎠ + 8tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ cos β + 2tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin β + 2 sin β ⎥ ⎦ ⎣

77

⎤ ⎡ ⎢5 1 ⎥ ⎥− θ = α 2 − α1 = arctg ⎢ + ⎛ β ⎞⎥ ⎢8 4tg ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 2 ⎠⎦ ⎣ ⎤ ⎡ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎥ ⎢ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎥; − arctg ⎢ ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎥ ⎢ ⎢16tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin ⎜⎝ 2 ⎟⎠ + 8tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ cos β + 2tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin β + 2 sin β ⎥ ⎦ ⎣

(1.59)

Для того, чтобы узнать как измениться угол охвата облучаемой поверхности при удалении от нее, зададимся расстоянием d=10 мм, и проведем тот же расчет, не изменяя остальные исходные данные. Исходные данные: а=2 мм; в=4 мм; с=3 мм; d=10 мм; Вначале рассчитаем угол θ − угол охвата облучаемой поверхности, когда вместо конуса стоит непрозрачная пластинка. Для простоты, как и в предыдущем случае, примем диаметр пластинки равный 0. Также сделаем допущение, что источник излучения точечный. Из треугольника АОС: a+c tgα1 = 2 ; d

Тогда: ⎡ 2+3⎤ ⎡a + c⎤ = arctg ⎢ ⎥ = 14,03° ; ⎥ ⎣ 2 • 10 ⎦ ⎣ 2d ⎦

α1 = arctg ⎢

Из треугольника ОВN: tgγ=b/2/c; ⎡ 4 ⎤ ⎥ = 33,6°; ⎣ 2 • 3⎦

γ = arctg ⎢

αmax=90° − 33,6°=56,4°; т.е. угол α принадлежит диапазону: α ∈ (0;56,4]; Из треугольника PMD: tgα 2 =

Также из треугольника АСО: tgα 2 =

x b d− 2

;

a−x+c ; d

(1.60)

(1.61)

Приравняем правые части уравнений (1.60) и (1.61) и найдем значение х: x 10 −

4 2

=

2− x+3 ; 10

78

x 5− x = ; 8 10 10x=40−8x; 18x=40; x=2,23.

Подставим значение х в уравнение (1.60): tgα 2 =

2,23 2,23 = = 0,279; 4 8 10 − 2

α2=15,5°; θ=α2-α1=15,5° − 14,03° = 1,47°. Таким образом, если отсутствует конус, то угол охвата облучаемой поверхности равен 1,47°. Теперь рассчитаем угол θ для случая показанного на рис. 1.15. θ = α2 − α1 (1.62) Вначале проведем расчет α2: Из треугольника PEM: tgα 2 =

Из треугольника OMK: tgα 2 =

a+ y ; b d− 2

x− y+c ; d

(1.63)

(1.64)

Из треугольника АLB: b β tg = 2 ; 2 x

(1.65)

В итоге получается: ⎤ ⎡ ⎢5 1 ⎥ ⎥; α 2 = arctg ⎢ + ⎛ β ⎞⎥ ⎢18 9tg ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 2 ⎠⎦ ⎣

Теперь проведем расчет α1: Примем другие обозначения (рис. 1.16.) Из треугольника АВС: 90° − ω + 90° + α1 + β/2 = 180°; откуда: ω = α1 + β/2. Из треугольника ORK: tgα1 =

c−g ; d

(1.66)

(1.67) (1.68)

Из треугольника CDR:

79

tgα1 =

g° + g ; b d− 2

(1.69)

⎛β⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ tgα1 = ; ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎛β⎞ ⎛β⎞ 36tg ⎜ ⎟ sin ⎜ ⎟ + 18tg ⎜ ⎟ cos β + 2tg ⎜ ⎟ sin β + 2 sin β ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎤ ⎡ ⎛β⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎥ ⎢ 2⎠ 2⎠ 2⎠ ⎝ ⎝ ⎝ ⎥; (1.70) ⎢ α1 = arctg ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎥ ⎢ ⎢ 36tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin ⎜⎝ 2 ⎟⎠ + 18tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ cos β + 2tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin β + 2 sin β ⎥ ⎦ ⎣

Подставляя в формулу (1.62) полученные значения получаем: ⎤ ⎡ ⎢5 1 ⎥ ⎥− θ = α 2 − α1 = arctg ⎢ + ⎛ β ⎞⎥ ⎢18 9tg ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 2 ⎠⎦ ⎣ ⎡ ⎤ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ 6tg ⎜ ⎟ sin 2 ⎜ ⎟ + 5 cos βtg ⎜ ⎟ + 2 cos β ⎢ ⎥ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎥; − arctg ⎢ ⎛ β ⎞ 2⎛ β ⎞ ⎛β ⎞ ⎛β ⎞ ⎢ ⎥ ⎢ 36tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin ⎜⎝ 2 ⎟⎠ + 18tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ cos β + 2tg ⎜⎝ 2 ⎟⎠ sin β + 2 sin β ⎥ ⎣ ⎦

(1.71)

Построим график зависимости угла охвата облучаемой поверхности от угла при вершине конуса для d=5 мм и d=10 мм (рис. 1.17.), по формулам (1.59) и (1.71). Зависимость угла охвата облучаемой поверхности от угла Teta при вершине конуса 35 d=5 mm

30

d=10mm

25 20 15 10 5 0 10

50

90

130

170

Beta

Рис. 1.17. Зависимость угла охвата облучаемой поверхности от угла при вершине конуса. 80

Выводы: Из графика видно, что обе функции имеют максимум в одной области, следовательно, оптимальный угол θ не зависит от удаления зонда от исследуемой поверхности. Отсюда следует, что оптимальный угол при вершине конуса θ = 133°. Также из графика можно сделать вывод, что чем дальше зонд находится от облучаемой поверхности, тем меньше угол охвата. Применение конуса для d=5 мм при угле при вершине конуса β=133° дает увеличение угла охвата облучаемой поверхности ≈ в 5.5 раза, а для d=10мм при угле при вершине конуса β=133° дает увеличение угла охвата облучаемой поверхности ≈ в 10 раз. Таким образом, в данном разделе были выбраны оптические датчики для обоих каналов и определены оптимальные геометрические размеры конуса для канала измерение кровотока в пищеводе. 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода

Рассмотрим систему, состоящую из ткани биологического объекта (БО) и фотоплетизмографического измерительного преобразователя (ФИП), работающего в отраженном свете. В данном случае ФИП представляет собой расположенные в одной плоскости излучатель и фотоприемник. По различным литературным источникам, рассматривающим оптические характеристики тканей БО, известно, что коэффициенты отражения, поглощения, рассеивания, пропускания у различных тканей различны и величины их зависят как от свойств исследуемых тканей БО, так и от длины волны зондирующего излучения. Существует также ряд теоретических работ, рассматривающих распространение излучения в тканях БО, в которых падающее на БО излучение делится на несколько составляющих, каждая из которых характеризует величину отраженного, поглощенного, рассеянного излучения и излучения, пропущенного тканью исследуемого БО. В отраженный от поверхности БО поток может быть внесена часть потока излучения, которая переотразилась от внутренних слоев исследуемой ткани и вышла на исследуемую поверхность. Вносимая за счет переотражения разница в коэффициентах отражения от поверхности ткани и при полном отражении в вышеприведенной литературе рассматривается при использовании коллимированного и высокомощного лазерного излучения для определенных тканей БО. В данном же случае ФИП использует излучение (неколлимированное мощностью до 5 мВт) лампочки. Также известно, что излучение низкой мощности проникает в БО на небольшую глубину (например, мощностью 1,5 мВт, длина волны λ=0,89 мкм, глубина проникновения в кожу 200 мкм). Следовательно, можно предположить, что для зондирующего излучения с такими характеристиками переотраженное излучение не будет вносить 81

ощутимый вклад в лучистый поток (ЛП), отраженный от поверхности исследования. Поэтому ограничимся в нашем случае рассмотрением ЛП, отраженного только от поверхности исследуемого БО. Предположим, что исследуемая ткань БО обладает диффузным отражением, и примем каждую элементарную площадку освещенной поверхности БО за точечный источник. Предположим также, что за время измерения отраженного от исследуемой ткани ЛП ее коэффициент отражения остается постоянным. Тогда полный отраженный ЛП Ф0 определяется по формуле: Φ 0 = 2πΙ 0

α =π 2

sin α cosαdα ∫ α

(1.72)

=0

где I0 − сила ЛП; α − угол между нормалью к светящейся поверхности и направлением распространения ЛП. Поскольку реальный ФИП позволяет собрать только часть отраженного излучения, то эффективность сбора отраженного ЛП зависит от конструкции ФИП, следовательно, необходимо рассмотреть связь между оптическими и геометрическими факторами, влияющими на величину отраженного ЛП в виде: (1.73) Ффп=АФ0 , где А − коэффициент эффективности сбора энергии ЛП, отраженного от ткани БО. Освещенность Е, создаваемая диффузно отражающей площадкой, определяется по формуле: cos i1 cos i2 dS r2 SI

Ε = Β∫

(1.74)

где i1, i2 − углы между направлением и нормалями к исследуемым тканям БО и ФИП; В − яркость источника излучения. Обозначим плоскость, в которой лежит поверхность исследуемой ткани БО S(x,у), а плоскость, в которой лежит фотоприемник и излучатель S′ (η,ς), и предположим, что эти плоскости параллельны между собой. Из треугольника АА′В′ найдем расстояние между точкой БО и точкой В′(η,ς) в плоскости ФИП: r = L2 + ( x − ς ) 2 + ( у − η ) 2 ,

(1.75) где L − расстояние между плоскостью ФИП и плоскостью исследуемой ткани БО (рис. 1.18.).

82

Рис. 1.18. Графическое пояснение символов математического аппарата. Поскольку плоскости S′ и S параллельны, очевидно, что: cos i1 = cos i2 =

L = r

L L2 + ( x − ς ) 2 + ( у − η ) 2

.

(1.76)

Тогда подставляя (1.76) и (1.75) в (1.74), получим: Ε = BL2 ∫∫ Si

dxdy . ( L + ( x − ς )2 + ( y − η)2 )2 2

(1.77)

Для того, чтобы вычислить этот интеграл, перейдем к полярным координатам: ⎧ x = h cos ϕ ⎨ ⎩ y = h sin ϕ

⎧ς = ρ cosθ ⎨ ⎩η = ρ sin θ

(1.78)

Тогда после соответствующих преобразований и использования табличного интеграла получим: 1 2πhdh . 2 2 2 ∫ 2 3/2 L +h +ρ 0 ⎡ ⎛ ⎤ ⎞ 2hρ ⎟ ⎥ ⎢1 − ⎜⎜ 2 2 2 ⎟ ⎢⎣ ⎝ L + h + ρ ⎠ ⎥⎦ R

Ι=

(1.79)

Дальнейшие преобразования дают подинтегральные выражения в виде: Ι=

π

τdτ

R

4∫ 0

[τ

2

+ 4ρ τ + 4ρ (L + ρ ) 2

2

2

2

]

3

,

(1.80)

2

83

где τ=L2+h2+ρ2, h − текущая координата в плоскости S′. Выполняя дальнейшее интегрирование, используя табличный интеграл, подставляя пределы интегрирования, окончательно получим: Ι=

π ⎡

⎤ L2 + h 2 − R 2 − 1 ⎢ ⎥. 2 L2 ⎢⎣ h 4 + 2h 2 ( L2 − R 2 ) + ( L2 + R 2 ) 2 ⎥⎦

(1.81)

Здесь R − радиус светящейся площадки на фотоприемнике, определяемый выражением: R = ρ + Ltg

ϕ 2

(1.82)

,

где ρ − текущая координата светящегося пятна на БО; ϕ − плоский угол расширения ЛП, возрастающий с ростом L. Подставляя (1.81) в (1.77), получим значение освещенности в виде: Ε=

πB ⎡

⎤ L2 + h 2 − R 2 − 1 ⎢ ⎥. 2 L2 ⎢⎣ h 4 + 2h 2 ( L2 − R 2 ) + ( L2 + R 2 ) 2 ⎥⎦

(1.83)

ЛП, падающий на фотоприемник, определяется выражением: ΦФп = 2π

RФп

∫ Ε(h)dh,

(1.84)

0

где Rфп − радиус фотоприемника. Подставляя в (1.84) выражение (1.83) и вычисляя интеграл, получим: Φ фп =

π 2Β 2

[R + R 2

2 фп

]

(1.85)

2 2 + L2 − L4 + ( Rфп − R 2 ) 2 + 2 L2 ( R 2 + Rфп ).

Полный ЛП с исследуемой поверхности (отражающей диффузно) можно записать следующим образом: Φ 0 = π 2ΒR 2 .

(1.86)

Тогда, выражая из (1.73) A и подставляя выражения (1.85) и (1.86), получим: A = Φ фп / Φ 0 =

[

]

1 2 2 2 R 2 + Rфп + L2 − L4 + ( Rфп − R 2 ) 2 + 2 L2 ( R 2 + Rфп ). 2 2R

(1.87) 84

В данном случае расстояние между плоскостью ФИП и плоскостью исследуемой ткани БО − 3 мм, радиус светящейся площадки на фотоприемнике − 1,8 мм, радиус фотоприемника − 2 мм. Подставляя эти значения в выражение (1.87), получим: A=

[

]

1 1 • 22 + 1,82 + 32 − 34 + (1,82 − 22 ) 2 + 2 • 32 • (22 + 1,82 ) = • [16,24 − 14,5] = 0,25 2 2•2 8

Вывод: коэффициент эффективности сбора полезного сигнала А=0,25.

85

II ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ 1. Реоэнцефалография 1.1. Теоретические основы реоэнцефалографии

Развитию и техническому обоснованию реографии способствовали многочисленные работы, посвященные исследованию электропроводности, электрического сопротивления различных органов и частей тела, а также влиянию на организм постоянного и переменного тока разной частоты. Развитие метода реографии неразрывно связано с установлением зависимости между работой сердца и колебаниями сопротивления и ёмкости в тканях. Изменения электрической ёмкости, обусловленные колебаниями объема сердца, были обнаружены в 1907г. Рядом ученых было установлено, что наблюдаемые изменения импеданса (электропроводности) являются результатом синхронных с пульсом колебаний объема исследуемых областей тела, отражающих артериовенозную разницу кровенаполнения. Наиболее тщательные и систематические исследования по теоретическому обоснованию и практическому применению регистрации колебаний электрического сопротивления для объективной оценки состояния кровообращения в различных частях тела были проведены А. А. Кедровым (1948г), изучая влияние различных частот (1 – 300 кГц) переменного тока на электрическое сопротивление тканей, автор установил, что наилучшие результаты (электроплетизмограммы, адекватно и полнее отражающие состояние гемодинамики) получаются при использовании переменного тока частотой около 100 кГц. 1.1.1. Особенности кровообращения в головном мозге

Кровообращение головного мозга характеризуется специфическими особенностями, обусловленными его сложной структурной и функциональной организацией. Объем крови, протекающей через головной мозг человека, составляет, как правило, значительную часть (у взрослых примерно 15%) общего объема крови. Из общего количества кислорода, поступающего в организм с вдыхаемым воздухом, головной мозг потребляет 20 – 25%. Кроме массы циркулирующей крови, очень важным фактором, определяющим интенсивность кровоснабжения головного мозга, является скорость кровотока. Известно, что скорость артериального кровотока в мозгу значительно больше, чем в других органах. Такое интенсивное кровоснабжение обеспечивается большой и сложной сетью мозговых сосудов с разнообразной ангиоархитектоникой. Кровоснабжение мозга осуществляется двумя парами магистральных артерий – внутренними сонными и позвоночными, образующими на основа86

нии мозга виллизиев круг. Виллизиев круг является мощным коллектором, обеспечивающим распределение крови в головном мозгу. Вследствие равенства давления в правых и левых, а также в передних и задних половинах виллизиева круга в определенных местах передней и задних соединительных артерий образуются «мертвые пункты», в которых движения крови нет. Следовательно, кровь из разных сосудов в пределах виллизиева круга в физиологических условиях на смешивается, а попадает в зону васкуляризации каждой отдельной артерии. Задняя мозговая циркуляция поддерживается кровотоком из позвоночных артерий, причем после их слияния в основную артерию кровь из правой позвоночной артерии течет строго по правой половине, а из левой позвоночной – по её левой половине. Возможно, равномерному распределению крови по гомолатеральным сторонам способствуют и сосудистые пучки, отходящие от дорсальных сторон позвоночных артерий у места их слияния. Однако даже при незначительном уменьшении давления в каком-нибудь из магистральных сосудов (прижатие артерий на шее при резких движениях головы или при сдавлении шеи) сейчас же происходит переток крови в направлении снизившегося давления. Из сказанного видно, что динамика кровоснабжения мозга даже в физиологических условиях зависит от состояния коллатерального кровообращения. Виллизиев круг является наиболее мощной и постоянно действующей системой анастомозов, обеспечивающей коллатеральное кровообращение в обоих полушариях. Кроме того, существуют еще две системы анастомотических связей, не функционирующие в нормальных условиях, но приобретающие важное значение в условиях сосудистой патологии. Это связи внутренней сонной и позвоночной артерий с наружной сонной артерией и анастомозы трех мозговых артерий между собой на поверхности мозга. Общая масса внутричерепного содержимого (мозговое вещество, артериальная кровь, венозная кровь и ликвор) относительно постоянна. Приток артериальной крови – важный фактор для поддержания внутричерепного давления. Изменение кровенаполнения мозга сказывается на давлении ликвора. Гемодинамика в головном мозгу поддерживается пульсовыми движениями крови. Ритмические колебания объема мозговых сосудов (пульсация мозга) связаны с активным сужением и расширением сосудов и перемещением ликвора, а также находится в зависимости от ряда влияний, в частности от сокращений сердца и дыхания (присасывающего действия грудной клетки, способствующего венозному оттоку от мозга). Отток крови из полости черепа осуществляется по развитой венозной системе (вены, синусы, венозные выпускники), открыто сообщающейся с внечерепными венами. Анатомическое и функциональное единство мозговых вен в внечерепными венами и отсутствие в них клапанов обеспечивают возможность кровотока в разных направлениях – в зависимости от местных условий и потребностей тканей в притоке и оттоке крови. Используя эти особенности венозного кровообращения головы, А.А. Кедров и А.И. Науменко (1954г.) при изучении церебральной гемодинамики собак получили экспери87

ментальные данные, подтверждающие пульсовый характер движения крови в сосудах мозга в закрытом черепе. Постоянные пульсовые и дыхательные колебания внутричерепного давления в закрытом черепе согласно их данным возможны благодаря наличию своеобразных приспособительных механизмов: с одной стороны, существованию пульсового венозного оттока из полости черепа и, с другой, - благодаря перемещению ликвора из полости черепа в спинномозговую полость в связи с разными фазами дыхания. Это позже подтвердилось в исследованиях Ю.Е. Москаленко и А.И. Науменко (1957г.). Они определили не только характер этих колебаний (пульсовых волн, дыхательных и волн третьего порядка), но и их абсолютные величины. В замкнутой полости черепа объем мозга колеблется незначительно благодаря тому, что он окружен со всех сторон несжимаемым ликвором и при пульсовых колебаниях давление крови встречает со всех сторон противодавление. Церебральная гемодинамика, таким образом, отличается от кровоснабжения других органов не только большей интенсивностью и постоянством, но особенностями коллатерального кровообращения, а также тесной взаимосвязью с ликворообращением. Последняя проявляется в большой взаимозависимости между венозным и ликворным давлением. При венозном застое мозга развивается ликворная гипертензия. Наряду с существованием взаимосвязи между циркуляцией крови и ликвора имеется тесная взаимозависимость между состоянием регионарного кровотока и функциональной активностью различных образований мозга. Усиление кровообращения в одних структурных образованиях мозга при их усиленной деятельности сопровождается уменьшением кровоснабжения других, находящихся в это время в состоянии относительного покоя. Благодаря богатому интракраниальному коллатеральному кровотоку – как артериальному, так и венозному – в обоих полушариях нет области, которая обеспечивалась бы исключительно одной магистральной артерией или одной магистральной веной. Это, наряду с перераспределением крови в мозгу в зависимости от функциональной активности различных его образований, предопределяет целесообразность изучения регионарной гемодинамики мозга одновременно в нескольких его областях. 1.2. Механизмы формирования реоэнцефалограммы

Изменения импеданса между электродами, накладываемыми на кожные покровы головы, определяются сложным комплексом факторов, которые представлены на рис. 2.1. Ведущими факторами или возмущающими воздействиями являются колебания системного венозного и артериального давления, а остальные играют модулирующую роль. Последние следует разделить на три группы. Первая – это факторы внутричерепной гемодинамики определяющие информативность реоэнцефалограммы (РЭГ). Вторая группа – факторы не связанные

88

Рис. 2.1. Схема формирования РЭГ – волны. с внутричерепной гемодинамикой то есть факторы, являющиеся источником помех и снижающие информационную ценность РЭГ. Поэтому следует выяснить условия, при которых влияние внутричерепных факторов будет наиболее выражено, а влияние помехонесущих факторов – минимальным. Исходя из схемы на рис. 2.1. очевидно, что внутричерепные гемодинамические и ликвородинамические факторы могут иметь выраженное модулирующее влияние на РЭГ. Действительно, пульсовые изменения пассивных электрических свойств внутричерепного содержимого определяются приростом кровенаполнения полости черепа за счет пульсовых колебаний в артериальной и венозной системах головного мозга. В связи с особенностью биофизической структуры системы внутричерепной гемодинамики способность сосудов мозга вместить дополнительный объем крови по сравнению с другими органами весьма ограничена. В механизмах компенсации систолического объема крови особое значение приобретают такие факторы, как колебания внутричерепного давления, ускорение тока крови, передача артериальной пульсаций на вены непосредственно через ликвор, перераспределение внутричерепного объема между артериальной, венозной кровью и ликвором. Электропроводность ликвора отличается от электропроводности крови, а последняя неодинакова в различных участках сосудистой системы мозга. Таким образом, пульсовая волна РЭГ представляет собой комплексный биофизический сигнал сложной природы, основная информационная ценность которого заключается в возможности судить о пульсовых изменениях кровенаполнения мозговой ткани, что в свою очередь зависит от растяжимости стенок церебральных сосудов. Следовательно, РЭГ может отражать как структурные изменения стенок мозговых сосудов, например, при атеросклерозе, так и динамические изменения их тонуса в ответ на функциональные нагрузки. По89

следнее может представить интерес как неинвазивный методический подход для оценки адаптационных способностей сосудистой системы головного мозга при тех или иных внешних воздействиях на организм или патологических состояниях. Влияние внечерепных гемодинамических факторов. Вопрос о соотношении вне- и внутричерепных факторов является наиболее спорным в физиологическом и биофизическом обосновании метода РЭГ. Как следует из рис. 1, внечерепные сосуды находятся под влиянием тех же гемодинамических факторов, что и внутричерепные. При этом их реакции на такие воздействия как изменение парциального давления углекислого газа артериальной крови, колебания артериального давления, симпатическую стимуляцию и некоторые другие воздействия, могут быть неодинаковыми и даже разнонаправленными. Изучение относительной роли вне- и внутричерепных сосудов в генезе РЭГ проводятся путем биофизического анализа и путем экспериментального физиологического исследования. Биофизический анализ токораспределения по вне- и внутричерепным тканям при наложении электродов на кожные покровы головы показал, что полностью избежать шунтирования тока по экстракраниальным тканям не удается. Вследствие высокого сопротивления костей черепа наилучшие условия для прохождения тока в мозг создаются при наложении электродов вблизи больших естественных отверстий черепа (глазниц и затылочного отверстия). Точная величина экстракраниального компонента РЭГ сигнала в настоящее время неизвестна, но все же значительна. Поэтому для РЭГ метода, как и для всех других методов исследования мозгового кровообращения, проблема уменьшения этого компонента остается весьма актуальной. Стандартизация техники регистрации РЭГ позволит фиксировать рассматриваемые погрешности и сделать результаты исследований сопоставимыми. К специальным способам снижения влияния внечерепных факторов при регистрации РЭГ относится одновременное снятие РЭГ и реограммы мягких тканей головы с последующим электронным сопоставлением их и получением результирующей кривой, а также применение защитных кольцевых или экранирующих электродов. Таким образом, несмотря на существенное модулирующее влияние колебаний кровенаполнения внечерепных тканей, РЭГ может сохранить свою информационную ценность, если данный фактор будет должным образом учитываться. Влияние изменений электрических свойств тканей на показание РЭГ. Согласно рис. 1, пульсовые волны РЭГ, особенно их амплитуды должны зависеть от изменения соотношения между пассивными электрическими характеристиками сред и тканей, заполняющих полость черепа. Известно, что электрическое сопротивление крови зависит от самых разных факторов. Заполняющая полость черепа кровь, ликвор, межклеточная жидкость являются основными путями проведения электрического тока, поэтому как базовое сопротивление между электродами, так и его относительные изменения будут в 90

первую очередь определяться соотношением жидкостной и клеточной фаз в исследуемой области об этом говорит значительное возрастание амплитуды пульсовых колебаний сопротивления между электродами. Определенное значение РЭГ имеет изменения электропроводности крови при ее движении. Биофизический анализ этого феномена в системе жестких трубок показал, что изменение электропроводности крови определяется зарядом на поверхности эритроцитов и степенью их агрегации. Поскольку величина изменения электропроводности крови при движении зависит от частоты измерительного тока, то диапазон частот, рекомендованный для регистрации РЭГ, выбран с учетом данного феномена и погрешность за счет скоростных изменений кровотока составляет не более 8-10%. Исследования показали, что объемный компонент реографического сигнала во много раз превосходит скоростной компонент. Поэтому можно сказать, что пульсовая волна РЭГ отражает объемные изменения кровенаполнения исследуемого участка мозга. Все вышеизложенное указывает на то, что динамика показателей РЭГ определяется не только процессами в системе внутричерепной гемоциркуляции, но и изменениями электрических характеристик крови и ткани мозга, поэтому не следует использовать данный метод при таких воздействиях на организм, которые оказывают существенное влияние на электрические характеристики крови и ткани мозга. Учет изложенных выше фактов позволит повысить информационную ценность данной методики. 1.3. Аспекты применения реоэнцефалографии для оценки мозгового кровообращения

Реография является неинвазивным методом исследования системного и регионарного кровообращения, который основан на регистрации изменений сопротивления (импеданса) биологического объекта при его сканировании переменным током высокой частоты. Термин реоэнцефалография (РЭГ), предложен Дженкнером в 1957 г. В последнее время наблюдается тенденция к вытеснению РЭГ ультразвуковой допплерографией (УЗДГ). Но игнорирование реографического метода является преждевременным и необоснованным. Прежде всего, учеными подвергается сомнению генез реографической кривой, получаемой при проведении РЭГ - исследования. В качестве доказательства несостоятельности реографического метода его противники традиционно пытаются обосновать экстракраниальный генез РЭГ - кривой. По их мнению, изменения импеданса обусловлены влиянием внемозгового кровотока. Основной аргумент при этом сводится к большому сопротивлению костей черепа, препятствующему прохождению зондирующего тока. А.А. Кедров, обсуждая возможность применения импедансного метода в оценке мозгового кровообращения пишет: "… с наружно расположенных электродов внутричерепной кровоток не регистрируется, и реограммы отражают только кровообращение в околочерепных сосудах". Однако, еще в 1961 г. Кунерт пришел к выводу, что кость не является существенным препятствием для 91

прохождения зондирующего тока, поскольку обладает в основном емкостным сопротивлением. Импеданс обескровленной и неживой кости достигает 4000 Ом·см, но величина импеданса в живом черепе намного меньше - около 200 Ом·см, так как сопротивление костей варьирует в зависимости от количества крови и форменных элементов. Следовательно, кости черепа не препятствуют прохождению зондирующего тока в полость черепа и отражению на РЭГ колебаний интракраниального импеданса. Для проведения реографического исследования необходимо использовать реограф - прибор, работающий по принципу генератора тока высокой частоты. Оптимальной частотой зондирующего тока при проведении РЭГ исследования является 50-100 кГц - именно при таких значениях сводится к минимуму эффект поляризации, возникающий на границе электрод-ткань, что дает возможность просканировать биологический объект более глубинно. При проведении РЭГ-исследования производится сканирование двух основных бассейнов: внутренней сонной артерии (FM-отведение) и вертебробазиллярного бассейна (ОМ-отведение). Это основные отведения. Кроме основных существуют и дополнительные отведения, которые позволяют избирательно судить о состоянии бассейнов передней мозговой артерии (ПМА), средней мозговой артерии (СМА) и задней мозговой артерии (ЗМА), а также о состоянии экстракраниального кровотока в общей сонной артерии (ОСА) и позвоночных артериях (ПА). В чем заключается преимущество РЭГ перед активно развивающимся методом УЗДГ? При проведении УЗДГ не возникает никаких трудностей во время исследования экстракраниального кровотока. Ультразвук беспрепятственно проникает через мягкие ткани, что дает возможность четкой визуализации сосуда на протяжении. Особенно ценную информацию можно получить при исследовании комплекса интима-медиа, когда удается достаточно четко визуализировать атеросклеротические бляшки. При наличии соответствующей программы удается установить степень редукции просвета сосуда. Что же касается исследования внутричерепной гемодинамики, то тут возникает ряд методических проблем. Прежде всего, по своей физической природе ультразвук обладает способностью отражаться от поверхности с большой плотностью. Учитывая этот факт и анатомические особенности черепа, были выбраны так называемые "окна визуализации": височные (для изучения кровотока в ПМА, СМА и ЗМА) и подзатылочная ямка (для исследования вертебро-базиллярного бассейна). Кроме того, при проведении транскраниальной УЗДГ (ТКУЗДГ) может возникнуть еще одна методическая трудность, связанная с утолщением кости в области "окон визуализации", в результате чего возникают существенные трудности при оценке кровотока в исследуемом сосуде. Таким образом, у импедансного и ультразвукового методов есть один общий барьер - кости черепа. Однако, что касается РЭГ, то как уже было показано, в живом организме кость не является значимым препятствием зондирующему току. Немаловажен и тот факт, что РЭГ является абсолютно безопасным для пациента, так как не возникает механического сотрясения на кле92

точном и субклеточном уровнях, что может наблюдаться при ТКУЗДГ. Существует еще один факт, выгодно отличающий РЭГ от ТКУЗДГ, который отмечает Л.Б. Иванов: "Допплерография характеризует кровоток на уровне конкретного участка магистрали исследуемой артерии и ему неведомо, что творится на уровне концевых разветвлений этого сосуда". РЭГ позволяет исследовать весь бассейн того или иного сосуда, включая магистральные артерии и микроциркуляторное русло, а также косвенно судить о состоянии венозной гемодинамики. Следовательно, по данным реографического метода можно косвенно судить и о состоянии венозного оттока из исследуемой области. Наиболе достоверную и полную информацию о состоянии кровоснабжения мозга можно получить используя только расчетный метод обработки реограмм, например, отношение амплитуды РЭГ к общему сопротивлению под электродами этого отведения отражает объем пульсовой волны (показатель относительного объемного пульса), отношение длительности восходящей части к длительности всей волны является показателем сосудистого тонуса. Вычисляются также и другие характеристики РЭГ, связанные с процессом кровообращения. При этом нивелируется субъективизм, присущий визуальному анализу. 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии

Пульсовые изменения импеданса между электродами, наложенными на кожные покровы головы человека, при соблюдении необходимых условий отражают с определенной погрешностью колебания кровенаполнения полости черепа, а их динамика в короткие промежутки времени – функциональные сдвиги в системе внутричерепной гемоциркуляции. Поэтому для выяснения информативной направленности реоэнцефалографии (РЭГ) следует рассмотреть взаимосвязь между пульсовыми измерениями кровенаполнения области черепа и другими показателями деятельности системы внутричерепной гемодинамики. Эта система обладает сложной биофизической структурой функциональные связи, с которой представлены на рис. 2.2. Как следует из этой схемы, кровенаполнение полости черепа является производной величиной, зависящей при стабильности показателей системной гемодинамики от тонуса артерий и вен головного мозга и от состояния ликвородинамики. Рост или падение мозгового кровотока может в зависимости от вызывающих их причин сопровождаться как однонаправленными, так и разнонаправленными изменениями кровенаполнения полости черепа. Качественная направленность изменений данного показателя и мозгового не всегда совпадает. Так изменения локального мозгового кровотока и импеданса ткани мозга при ряде тестов и поведенческих реакций могут быть разнонаправленными. Вместе с тем нельзя отрицать, что при определенных условиях исследования можно наблюдать положительную корреляцию между некоторыми показателями РЭГ – волны и изменениями мозгового кровотока. Найдена хо93

рошая корреляция между установившимися значениями локального кровотока и импеданса в этой же зоне мозга при внутричерепной артериальной гипермии. Но такая корреляция может наблюдаться лишь при строго определенных сочетаниях показателей, входящих в схему (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема функциональных взаимосвязей между элементами системы внутричерепной гемоликвородинамики (+) – положительная связь, (-) – отрицательная связь. Таким образом, информационная направленность РЭГ ограничивается в основном возможностью комплексного отражения особенностей растяжимости сосудов артериального и венозного отделов сосудистой системы головного мозга и состояния системы ликвородинамики. Имеются многочисленные данные, показывающие четкую зависимость показателей РЭГ от возрастных изменений свойств мозговых сосудов, степени их склерозирования, состояния их тонуса при гипертонической болезни и т.п. В последнее время успешно развивается идея о двухкомпонентности генеза РЭГ – влиянии относительного кровенаполнения как церебральных артерий, так и вен, и на основании этого предлагается способ автоматической обработки РЭГ. Однако до сих пор мало уделяется внимания роли третьего компонента – ликвородинамике, который согласно рис. 2.2 тесно связан с кровенаполнением полости черепа. Для уточнения информативной целенаправленности РЭГ следует найти пути для трех видов возможных влияний на показатели РЭГ, а именно изменений тонуса церебральных сосудов, их кровенаполнения и изменений в системе ликвородинамики. 94

Один из возможных путей дифференцирования влияния каждого из упомянутых трех видов влияний на показатели РЭГ заключается в использовании направленных функциональных нагрузок с тем, чтобы, сопоставляя ответы на них при разных состояниях организма, судить об изменении того или иного из интересующих показателей. Кроме функциональных нагрузок физической природы, информативным является использование фармакологических препаратов. Особенно часто применяются нитроглицериновая проба, а также проба с вдыханием СО2 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы

Пульсовые волны РЭГ представляют собой периодические, синхронные с пульсом колебания сложной формы, в которых заключена информация о системе внутричерепного кровообращения. По внешнему виду нормальная РЭГ - волна напоминает сфигмограмму и ей свойственно наличие некоторых характерных точек (рис. 2.3.): О – начало подъема; А – вершина волны; В – вторая (диастолическая) вершина; С – инцизура. На базовой линии им соответствуют временные точки. Исходя из этих характерных точек, в РЭГ – волне выделяют следующие показатели.

Рис. 2.3. Характерные точки РЭГ-волны и связанные с ними амплитудные, временные и планиметрические показатели. Амплитудные показатели. К ним относятся величины амплитуд реоволны в характерных точках, выраженные в омах или в относительных единицах. Все амплитудные показатели принято относить к максимальной амплитуде в точке А в процентах. Целесообразно определить амплитуду реоволны ещё в точке А1 – на середине дикротической части волны, между точкой А и концом волны. Временные показатели РЭГ. Они представляют собой промежутки времени между зубцом R на ЭКГ, а также между началом РЭГ – волны и другими характерными точками на РЭГ – волне. Существует мнение, что временные показатели РЭГ менее подвержены влиянию помех по сравнению с амплитудными показателями и более приемлемы для автоматического анализа 95

РЭГ. Для более точного определения характерных точек на пульсовой РЭГ волне используется способ её электрического дифференцирования – регистрации первой производной, что позволяет выявить и относительные изменения скоростей нарастания и спадов РЭГ – волны. Принципиально новой информации первая производная РЭГ по сравнению с самой волной РЭГ не содержит, но позволяет сделать более наглядными отдельные характерные элементы РЭГ – волны. Следует стандартизировать постоянную времени дифференцирования, от которой зависят показатели первой производной кривой РЭГ. Приборы с постоянной времени дифференцирования менее 0,001 дают минимальную погрешность. Планиметрические показатели: площадь всей реоволны и отдельных ее участков, отнесенных ко всей площади, в процентах. Они определяются как участки, ограниченные базисной линией и амплитудными отрезками в характерных точках на кривой реоволны. Спектральные показатели. Вышеуказанные амплитудные, временные и планиметрические показатели за частую не могут объективно и полно описать характерные изменения формы волны РЭГ, наблюдающиеся в различных в различных экспериментальных ситуациях. В связи с этим в литературе бытуют описательные характеристики РЭГ – волны типа «добавочные волны», «куполообразная форма» и т.п. С помощью Фурье – анализа можно полно, объективно и единообразно описать волну любой формы. Комбинированные показатели. К ним относятся различные сочетания амплитудных и временных показателей, угловые показатели. Например, угол восхождения анакроты (угол α) может быть выражен через тангенс этого угла А/а (рис. 3). К этой группе показателей можно отнести различные сложные формулы для расчета объемного мозгового кровотока, суммарного цереброваскулярного сопротивления, тонуса сосудов и т. д., в которые помимо амплитудных и временных показателей входят такие показатели, как частота пульса, среднее артериальное давление, параметры первой производной и т.п. Наиболее распространенные показатели РЭГ и приписываемое им информационное значение представлены в таблице 2.1. Показатели реоэнцефалограммы Таблица 2.1. Показатель 1 А, А/Е

В, В/А

Информативность 2 Амплитуда реоволны, реографический индекс Е - калибровочный сигнал. Показатель максимального пульсового колебания кровенаполнения и степени раскрытия сосудистого русла Амплитуда диастолической волны, диастолический индекс. Показатель периферического сопротивления оттоку из артерий в область мелких вен. Увеличение показателя говорит о росте этого сопротивления 96

С, С/А

А1, А1/А

А, а/Т

Аb, аb/Т

Дикротическая волна, дикротический индекс. Показатель периферического сопротивления в области мелких артерий. Увеличение показателя говорит о росте этого сопротивления Поздняя диастолическая волна на середине расстояния между вершиной А и концом реоволны и её отношение к амплитуде реоволны. Показатель периферического сопротивления оттоку из мелких вен в средние. Увеличение показателя говорит о росте этого сопротивления Длительность восходящей части кривой – анакрота. Отражает способность крупных артерий мозга к растяжению во время систолического притока крови. Показатель увеличивается при увеличении эластичности (снижения тонуса) сосудов Расположение диастолической волны по отношению к основной волне. Отражает тонус мелких сосудов изучаемой области. Увеличение показателя говорит о повышении упругости (снижении тонуса) мелких артерий и вен

При оценке РЭГ учитывают форму и время распространения волны каждого отведения, межполушарную асимметрию, а также изменения РЭГ при функциональных пробах. Интерпретация выделенных характеристик реоэнцефалографической волны сводится к следующему: сглаженность формы оценивается как уменьшение эластичности стенок сосудов, укорочение времени распространения волны говорит о повышении тонуса, амплитуда волны отражает интенсивность пульсовых колебаний. У здоровых людей моложе 30 лет волна РЭГ напоминает треугольник. Восходящая часть крутая и почти не меняет наклона до самой вершины. В первой половине нисходящей части имеется от 1 до 3 дополнительных колебаний. Продолжительность восходящей части составляет 0,1 с ±10%. В возрасте 30 — 40 лет продолжительность восходя щей части до 0,15 с ±10%. Иногда бывает горбовидная форма волны, абсолютной вершиной которой является поздняя систолическая волна. Количество дополнительных колебаний уменьшено до 1. В 40 — 50 лет продолжительность восходящей части до 1,7 с ±10%. Горбовидная форма волны преобладает. В 50 — 60 лет восходящая фаза достигает 0,19 с ±10%, вершина становится более закругленной, но инцизура на нисходящей части еще заметна. У лиц старше 60 лет продолжительность восходящей части больше 0,21 с. Форма волны аркообразная, дополнительные волны могут отсутствовать. Межполушарная асимметрия амплитуды до 10% считается нормальной во всех возрастных группах. РЭГ считается патологической тогда, когда регистрируется форма волны, характерная для человека более старшего возраста, чем пациент; отмечается существенная межполушарная асимметрия по форме волны; межполушарная асимметрия амплитуды больше 10%; элементы восходящей части одного полушария запаздывают больше, чем на 0,015 с по сравнению с запаздыванием в другом полушарии; отмечается углубление инцизуры со сдви97

гом ее вниз по нисходящей части кривой; выявляется значительное снижение или повышение волн; уменьшается время распространения реографической волны. Частная семиотика РЭГ. Церебральный атеросклероз. В начальных стадиях появляется некоторая сглаженность кривой и плато на вершине волны. При значительной выраженности этих изменений форма волны становится куполообразной или аркообразной, уменьшаются время распространения и амплитуда волны. Все это указывает на потерю эластичности и уменьшение кровенаполнения сосудов. Гипертоническая болезнь. В транзиторной стадии отмечается смещение дикротического зубца ближе к вершине с тенденцией к образованию плато. Дальнейшее развитие процесса приводит к уменьшению амплитуды волны и закруглению вершины; часто абсолютной вершиной является поздняя систолическая волна, а дикротический зубец располагается выше изгиба. В склеротической фазе волна принимает аркообразную форму. Головная боль сосудистого генеза. При мигренозных болях, локализованных преимущественно в одном полушарии, на РЭГ отмечается межполушарная ассиметрия с повышением амплитуды на пораженной стороне. При вегетососудистой дистонии в зависимости от патогенетического механизма регистрируются: а) плато на вершине волны, хорошо выраженные дополнительные колебания, повышенная амплитуда, что свидетельствует о понижении сосудистого тонуса с увеличением кровенаполнения и растяжением стенок сосудов; б) закругленная вершина, плохо выраженные дополнительные колебания, уменьшенная амплитуда, что свидетельствует о повышении тонуса сосудов. Закрытая черепно-мозговая травма. Гематома на стороне поражения приводит к уменьшению амплитуды и сглаженности дополнительных колебаний, что указывает на затруднение кровотока в связи со сдавлением мозга. При ушибе на стороне контузии регистрируются увеличение амплитуды и угла наклона восходящей фазы волны, углубление инцизуры. Сотрясение мозга не вызывает асимметрии. В зависимости от тяжести травмы отмечаются изменения, характерные для повышенного или пониженного тонуса сосудов. Геморрагический инсульт. Изменения РЭГ более выражены, чем при ишемическом инсульте, распространяются на оба полушария с некоторым акцентом на пораженном полушарии. Амплитуда РЭГ уменьшена и волна уплощена. Нередко наблюдаются явления атонии с резким укорочением нисходящей части кривой и перемещением инцизуры вниз к основанию волны. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений

В реографии для регистрации пульсовых изменений пассивных электрических характеристик тканей и органов человека используются две схемы исследования: двухэлектродная (биполярная) и четырехэлектродная (тетраполярная). При биполярном способе на исследуемый участок накладывается 98

два электрода, каждый из которых является и зондирующим и измерительным, т.е. как двухполюсник подключаются в одно из плеч измерительной мостовой схемы. Напротив, в тетраполярной схеме предусмотрено наложение на кожные покровы двух или более электродов, и таким образом, разделение подачи зондирующего тока и измерения сопротивления исследуемой области. В данной работе для исследования сосудистой системы головного мозга будет использоваться тетраполярный способ регистрации реоэнцефалограммы. Основным преимуществом тетраполярного режима исследования является почти полное исключение влияния сопротивления поверхностных тканей под воспринимаемым электродом на точность измерения, что дает возможность регистрировать РЭГ даже при физической нагрузке. При регистрации реоэнцефалограммы на кожные покровы головы накладываются металлические электроды, площадь которых варьирует от 2 до 10 см2. Поскольку при накожном расположении электродов основное сопротивление падает на верхний роговой слой кожи, контактирующий с электродом, то кожа обезжиривается, между электродом и кожей прокладывается слой марли, смоченной физиологическим раствором. Иногда применяются электродные пасты, используемые при регистрации электроэнцефалограммы. Установлено, что для живых тканей характерны поляризационные явления при прохождении через них постоянного электрического тока. При переменном токе электрическая проводимость живых тканей зависит от частоты. Строгий количественный анализ этого явления позволил определить оптимальные частотные диапазоны для регистрации реограммы: 50 - 100 кГц. Сила измерительного тока определяется двумя соображениями. С точки зрения точности измерений она должна быть достаточно высокой, но при этом в несколько раз меньше порогового раздражающего значения. Наилучшим образом этим условиям соответствует величина 1,5 - 3 мА. В настоящее время используются несколько вариантов наложения электродов на кожные покровы головы человека. В последние годы наряду с обычным глобальным фронто–мастоидальным (F – M) отведением, применяют бифронтальное (F2 – F3), битемпоральное (T – T1), бимастоидальное (M – M1) и биокципитальное (O - O) расположения электродов (рис. 2.4, а) с целью выявления зависимости суммарного кровенаполнения исследуемых областей от состояния внутренней сонной и позвоночной артерий. Однако при такой поперечной реоэнцефалографии дефицит кровенаполнения на одной стороне может маскироваться, сглаживаться хорошим кровоснабжением на противоположной стороне. В этом отношении более перспективна и ценна продольная реоэнцефалография с симметричных участков различных областей головы, так как она дает и представление о гемодинамике в симметричных областях мозга. Ряд ученых применяли фронтальное, роландо-темпоральное и окципитопариетальное отведения для оценки кровенаполнения в бассейнах передней, средней и задней мозговых артерий. При использовании переменного тока высокой частоты (100 кГц) кожа и 99

кость не являются препятствием для прохождения тока; поэтому можно записать РЭГ практически с любой области конвекситальных отделов больших полушарий головного мозга. Для исследования суммарного кровенаполнения больших полушарий применялось фронто–мастоидальное (F – M) расположение электродов. Для оценки состояния кровоснабжения преимущественно в бассейне передней мозговой артерии – лобное (F – F1), лобно-центральное (F – С) и лобновисочное (F – Т) отведения, для оценки состояния гемодинамики в бассейне средней мозговой артерии – теменно-височное (Р – Т), роландо-височное (Р – Т), теменно-центральное (Р – С) и височно-височные (T1 – T2). Кроме того, применялись окципито-мастоидальное (О – М) и окципито-париетальное (О Р) отведения, отражающие состояние гемодинамики преимущественно в системе позвоночной артерии (рис. 2.4, б, в). Приблизительная схема распределения высокочастотного тока между глобальными (F – M), а также регионарными (F1 – F2, C – F2, R – T, P – C, O – M, O - P) электродами представлена на рис. 2.4, г.

Рис. 2.4. Схема расположения электродов. а – при поперечной реоэнцефалографии;б, в – при продольной реоэнцефалографии симметричных участков головного мозга; г – схема распределения высокочастотного тока между глобальными и регионарными элекродами.ример экрана монитора с графиками реоэнцефалографии программно-технического комплекса SFERA V 4.7.

100

Рис. 2.5. Экран монитора с графиками реоэнефалограммы. Пример заключения по интегральной реографии Реографическое исследование Пациент: Иванов Ю.И. М 29 Обследование 28.10.93 11.00 Рост(см): 177 Вес тела(кг): 71 Артериальное давление: 120/80 Определение центр. гемодинамики методом интегральной реографии Тищенко - Базисное сопротивление - Амплитуда систолической волны - Продолжительность сердечного цикла - Продолжительность катакроты - Площадь тела - Ударный объем кровообращения - Ударный индекс - Сердечный индекс - Индекс минутной работы сердца - Индекс ударной работы сердца - Удельное периферическое сопротивление - Объемная скорость изгнания - Мощность левого желудочка

(Ом) 153 (мОм) 127 (сек) 0.935 (сек) 0.795 (м2) 1.875 (мл) 84.0 (мл/м2) 44.79 (33.6-55.8) (л/мин/м2) 2.88 (2.48-3.12) (кг*м/мин/м2) 3.86 (3.36-5.22) (кг*м/м2) 59.98 (47.8-75.2) 2592 (2000-3200) (мл/с) 357.3 ( 220-400 ) (Вт) 4.44 ( 3.0-4.5 )

Тип циркуляции Ударный индекс Уд. периферич. сопротивление Среднее артериальное давление Минутная работа сердца Ударная работа сердца

/ Эукинетический / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы

Врач функциональной диагностики : ______________________Пилюгин А.И. 101

Рис. 2.6. Пример распечатки на принтере интегральной реографии.

Рис. 2.7. Пример распечатки на принтере реоэнцефалографии.

102

2. Векторкардиография 2.1. Теоретические основы электро- и векторкардиографии

Особенностью современных систем мониторинга является применение технических средств, позволяющих получать результаты измерений физиологических показателей в готовом для диагностики состояния пациента виде. Создание таких средств требует от разработчика аппаратуры глубокого понимания медицинских проблем клинического мониторинга, позволяющего получить требуемую диагностическую информацию и представить ее на языке медицины. 2.1.1. Биоэлектрические явления в сердечной мышце

Возникновение электрических потенциалов в сердечной мышце связано с движением ионов через клеточную мембрану. Основную роль при этом играют катионы натрия и калия. В покое наружная поверхность клетки миокарда заряжена положительно вследствие преобладания там катионов натрия, внутренняя поверхность клеточной мембраны имеет отрицательный заряд вследствие преобладания внутри клетки анионов (Cl -, HCO3 - и др.). Такое состояние мембраны невозбужденной клетки называется ее статической поляризацией. В этих условиях клетка поляризована, при регистрации электрических процессов с помощью наружных электродов разности потенциалов не будет. Однако если в этот период ввести микроэлектрод внутрь клетки, то зарегистрируется так называемый потенциал покоя, достигающий 90 мВ. Под воздействием внешнего электрического импульса клеточная мембрана становится проницаемой для катионов натрия, которые устремляются внутрь клетки (вследствие разности внутри- и внеклеточной концентрации) и переносят туда свой положительный заряд. Наружная поверхность данного участка приобретает отрицательный заряд вследствие преобладания там анионов. При этом появляется разность потенциалов между положительным и отрицательным участками поверхности клетки, и регистрирующий прибор зафиксирует отклонение от изоэлектрической линии. Этот процесс носит название деполяризации и связан с потенциалом действия. Вскоре вся наружная поверхность клетки приобретает отрицательный заряд, а внутренняя — положительный, т. е. произойдет обратная поляризация. Регистрируемая кривая при этом вернется к изоэлектрической линии. В конце периода возбуждения клеточная мембрана становится менее проницаемой для катионов натрия, но более проницаемой для катионов калия; последние устремляются из клетки (вследствие разности вне- и внутриклеточной концентрации). Выход калия из клетки преобладает над поступлением натрия в клетку, поэтому наружная поверхность мембраны снова постепенно приобретает положительный заряд, а внутренняя — отрицательный. Этот процесс носит название реполяризации. Регистрирующий прибор вновь за103

фиксирует отклонение кривой, но в другую сторону (так как положительный и отрицательный полюсы клетки поменялись местами) и меньшей амплитуды (так как поток ионов калия движется медленнее). Описанные процессы происходят во время систолы. Когда вся наружная поверхность вновь приобретает положительный заряд, а внутренняя — отрицательный, снова будет зафиксирована изоэлектрическая линия, что соответствует диастоле. Во время диастолы происходит медленное обратное движение ионов калия и натрия, которое мало влияет на заряд клетки, поскольку ионы натрия выходят из клетки, а ионы калия входят в нее одновременно и эти процессы уравновешивают друг друга. Описанные процессы относятся к возбуждению единичного волокна миокарда. Возникающий при деполяризации импульс вызывает возбуждение соседних участков миокарда, оно постепенно охватывает весь миокард, развиваясь по типу цепной реакции. 2.1.2. Дипольная концепция электрической активности сердца

Генез нормальной ЭКГ, происхождение и характер ее патологических изменений наиболее наглядно объясняет векторная теория сердечного диполя. Электрические явления, связанные с деятельностью всего сердца, принято рассматривать на примере отдельного мышечного волокна (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Направление вектора сердечного диполя при деполяризации (а) и реполяризации (б) одиночного мышечного волокна Это допустимо, поскольку электрические процессы, происходящие в миокардиальной клетке и в сердце в целом имеют общие закономерности. В состоянии покоя наружная поверхность клеточной мембраны мышечного волокна заряжена положительно (+). При возбуждении наружная поверхность деполяризованного участка изменяет заряд на отрицательный (-). Реполяризация мышечной клетки сопровождается восстановлением (+) зарядов на ее 104

поверхности. Процесс распространения по мышечному волокну волны деполяризации, как и волны реполяризации, схематически можно представить в виде перемещения двойного слоя зарядов, расположенных на границе возбужденных, заряженных (-) и невозбужденных, заряженных (+) участков волокна. Эти заряды равны по абсолютной величине, противоположны по знаку и находятся на бесконечно малом расстоянии друг от друга. Такая система, состоящая из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов, называется диполем. Положительный полюс диполя всегда обращен в сторону невозбужденного, а отрицательный полюс - в сторону возбужденного участка мышечного волокна. Диполь может послужить моделью электрической активности отдельного мышечного волокна, которое обозначают как элементарный диполь. Элементарный диполь характеризуется разностью потенциалов и является источником элементарной электродвижущей силы (ЭДС). ЭДС как векторную величину характеризуют абсолютное значение и направление. В электрокардиографии принята положительная полярность вектора, т.е. направление от (-) к (+). На поверхности невозбужденного мышечного волокна разность потенциалов отсутствует - регистрирующий прибор фиксирует изолинию. При появлении возбуждения на границе возбужденных и невозбужденных участков появляется диполь, который вместе с волной возбуждения перемещается по мышечному волокну. Между возбужденными и оставшимися на данный момент в состоянии покоя участками поверхности миокардиального волокна возникает разность потенциалов. Если электрод, соединенный с положительным полюсом регистрирующего прибора (активный), обращен к (+) полюсу диполя, т.е. вектор ЭДС направлен к этому электроду, то регистрируется отклонение кривой вверх или положительный зубец. В случае, когда активный электрод обращен к отрицательному заряду диполя, т.е. вектор ЭДС направлен от этого электрода, возникает отклонение кривой вниз или отрицательный зубец. В каждый момент сердечного цикла в состоянии возбуждения оказывается множество мышечных волокон, которые представляют собой элементарные диполи. При одновременном существовании нескольких диполей их ЭДС взаимодействует по закону сложения векторов, образуя суммарную ЭДС. Таким образом, при определенных допущениях сердце можно рассматривать как один точечный источник тока - суммарный единый сердечный диполь, продуцирующий суммарную ЭДС. Следовательно основные закономерности формирования электрограммы, присущие одиночному мышечному волокну, остаются справедливыми и для и для формирования ЭКГ сердца как единого сердечного диполя. При строго последовательном распространении возбуждения по миокарду, когда на разных этапах этого процесса вовлеченными в состояние возбуждения оказываются различные, но определенные по локализации участки сердца и разные по величине мышечные массы, суммарная ЭДС последовательно и закономерно изменяется по величине и направлению. Каждому от105

дельному моменту сердечного цикла соответствует своя суммарная моментная ЭДС. 2.1.3. Проводящая система сердца

Основную массу сердца составляет миокард. Его образуют отдельные мышечные волокна, соединённые последовательно с помощью вставочных дисков - нексусов, обладающих незначительным электрическим сопротивлением, и тем самым обеспечивающие функциональное единство миокарда. Кроме сократительных волокон в миокарде имеется особая система мышечных единиц, способных к генерации спонтанной ритмической активности, распространению возбуждения по всем мышечным слоям и координации последовательности сокращения камер сердца. Эти специализированные мышечные волокна образуют проводящую систему сердца. Проводящая система сердца включает в себя: Синоатриальный (синусно-предсердный, синусовый, Ашоффа1. Товара) узел – центр автоматизма (пейсмекер) первого порядка, расположенный в месте впадения полых вен в правое предсердие. Он генерирует 60 – 80 импульсов в минуту; Межузловые проводящие тракты Брахмана, Векенбаха и Тореля; 2. 3. Атриовентрикулярный (предсердно-желудочковый) узел, расположенный справа от межпредсердной перегородки рядом с устьем коронарного синуса (вдаваясь в перегородку между предсердиями и желудочками), и атриовентрикулярное соединение (место перехода АВ узла в пучок Гиса). Они являются пейсмекерами второго порядка и генерируют 40 - 50 импульсов в минуту; Пучок Гиса, берущий начало от АВ узла и образующий две нож4. ки, и волокна Пуркинье – пейсмекеры третьего порядка. Они вырабатывают около 20 импульсов в минуту. Сокращение сердечной мышцы называется систолой, а её расслабление – диастолой. Систола и диастола четко согласованы во времени и вместе они составляют сердечный цикл, общая продолжительность которого составляет 0,6 – 0,8 с. Сердечный цикл имеет три фазы: систола предсердий, систола желудочков и диастола. Началом каждого цикла считается систола предсердий, длящаяся 0,1 с. При этом волна возбуждения, генерируемая синоатриальным узлом, распространяется по сократительному миокарду предсердий (сначала правого, затем обоих и на заключительном этапе - левого), по межпредсердному пучку Бахмана и межузловым специализированным трактам (Бахмана, Венкебаха, Тореля) к атриовентрикулярному узлу. Основное направление движения волны деполяризации предсердий (суммарного вектора) - вниз и влево. Скорость распространения возбуждения составляет 1 м/с. Далее поток возбуждения достигает атриовентрикулярного (АВ) узла. Возбуждение через него может проходить только в одном направлении, ретроградное проведение им106

пульса невозможно. Так достигается направленность движения процесса возбуждения, и как следствие, координированность работы желудочков и предсердий. При прохождении через АВ узел импульсы задерживаются на 0,02 – 0,04 с, скорость распространения возбуждения при этом составляет не более 2-5 см/с. Функциональное значение этого явления состоит в том, что за время задержки успевает завершиться систола предсердий и их волокна будут находиться в фазе рефрактерности. По окончании систолы предсердий начинается систола желудочков, длительность которой 0,3 с. Волна возбуждения пройдя АВ-узел быстро распространяется по внутрижелудочковой проводящей системе. Она состоит из пучка Гиса (предсердно-желудочкового пучка), ножек (ветвей) пучка Гиса и волокон Пуркинье. Пучок Гиса делится на правую и левую ножки. Левая ножка вблизи от основного ствола пучка Гиса разделяется на два разветвления: передне-верхнее и задне-нижнее. В ряде случаев имеется третья, срединная ветвь. Конечные разветвления внутрижелудочковой проводящей системы представлены волокнами Пуркинье. Они располагаются преимущественно субэндокардиально и непосредственно связаны с сократительным миокардом. Скорость распространения возбуждения по пучку Гиса составляет 1 м/с, по его ветвям – 2-3 м/с, а по волокнам Пуркинье – до 3-4 м/с. Большая скорость способствует почти одновременному охвату желудочков волной возбуждения. Возбуждение идет от эндокарда к эпикарду. Суммарный вектор деполяризации правого желудочка направлен вправо и вперед. После вступления в процесс возбуждения левого желудочка суммарный вектор сердца начинает отклоняться вниз и влево, а затем по мере охвата все большей массы миокарда левого желудочка он отклоняется все больше влево. После систолы желудочков миокард желудочков начинает расслабляться и наступает диастола (реполяризация) всего сердца, которая продолжается до следующей систолы предсердий. Суммарный вектор реполяризации имеет то же направление, что и вектор деполяризации желудочков. Из вышесказанного следует, что в процессе сердечного цикла суммарный вектор, постоянно изменяясь по величине и ориентации, большую часть времени направляет сверху и справа вниз и влево. Проводящая система сердца обладает функциями автоматизма, возбудимости, и проводимости. 1. Автоматизм – способность сердца вырабатывать электрические импульсы, вызывающие возбуждение. В норме наибольшим автоматизмом обладает синусовый узел. 2. Проводимость – способность проводить импульсы от места их возникновения до миокарда. В норме импульсы проводятся от синусового узла к мышце предсердий и желудочков. 3. Возбудимость – способность сердца возбуждаться под влиянием импульсов. Функцией возбудимости обладают клетки проводящей системы и сократительного миокарда. Важными электрофизиологическими процессами являются рефрактерность и аберрантность. 107

Рефрактерность – это невозможность клеток миокарда снова активизироваться при возникновении дополнительного импульса. Различают абсолютную и относительную рефрактерность. Во время относительного рефрактерного периода сердце сохраняет способность к возбуждению, если сила поступающего импульса сильнее, чем обычно. Абсолютный рефрактерный период соответствует комплексу QRS и сегменту RS-T, относительный – зубцу Т. Во время диастолы рефрактерность отсутствует. Аберрантность – это патологическое проведение импульса по предсердиям и желудочкам. Аберрантное проведение возникает в тех случаях, когда импульс, чаще поступающий в желудочки, застает проводящую систему в состоянии рефрактерности. Таким образом, электрокардиография позволяет изучать функции автоматизма, возбудимости, проводимости, рефрактерности и аберрантности. О сократительной функции по электрокардиограмме можно получить лишь косвенное представление. 2.1.4. Понятие об электрической оси сердца

Сердце имеет так называемую электрическую ось, представляющую собой направление распространения процесса деполяризации в сердце. Электрическая ось сердца определяется состоянием пучка Гиса и мышцы желудочка и до некоторой степени анатомической позицией сердца. Последнее особенно важно для определения электрической оси здорового сердца. Электрическая ось в норме направлена от основания к верхушке почти параллельно анатомической оси сердца. Ее направление зависит в основном от следующих факторов: положения сердца в грудной клетке, соотношения массы миокарда желудочков, нарушения проведения импульса к желудочкам и очаговых поражений миокарда. В настоящее время большинство авторов выделяет пять вариантов положения электрической оси сердца, определяемых во фронтальной плоскости: нормальное, вертикальное, отклонение вправо, горизонтальное и отклонение влево. Все эти варианты могут быть выражены количественно в градусах угла α (рис. 2.9). При нормальном положении электрической оси сердца угол α находится в пределах от +30о до +70о. При вертикальном положении электрической оси, обусловленном небольшим поворотом его вправо, угол α находится в пределах от +70о до +90о. Более значительный поворот электрической оси вправо с углом α от +90о до +180о называется отклонением оси сердца вправо. Значительное отклонение оси сердца вправо, обычно встречается при патологии. Оно может наблюдаться при вертикальном положении сердца, блокаде правой ножки пучка Гиса, гипертрофии правого желудочка, инфаркте передней стенки, декстрокардии, смещении вниз диафрагмы (при эмфиземе легких, инспирации).

108

Рис. 2.9. Варианты положения электрической оси сердца, выраженные в градусах угла α При горизонтальном положении электрической оси сердца угол α колеблется в пределах от +30о до 0о. Отклонением электрической оси влево считается такое ее положение, когда угол α становится отрицательным (когда средний вектор находится между 0о и –90о). Заметное отклонение оси влево обычно встречается при патологии. Оно может быть результатом горизонтального положения сердца, блокады левой ножки пучка Гиса, синдрома преждевременного возбуждения желудочков, гипертрофии левого желудочка, верхушечного инфаркта миокарда, кардиомиопатии, некоторых врожденных заболеваний сердца, смещения вверх диафрагмы (при беременности, асцитах, внутрибрюшных опухолях). 2.2. Основные принципы метода векторкардиографии

Векторкардиография представляет собой метод пространственного динамического исследования электрического поля сердца в процессе кардиоцикла. В основе метода лежит принцип получения пространственной фигуры, являющейся графическим изображением изменений величины и направления электродвижущей силы в течение всего сердечного цикла. Известно, что при возбуждении мышцы сердца во все моменты сердечного цикла образуется значительное количество разнонаправленных моментных векторов, оценка каждого из которых невозможна. Это дало основание интегрировать их и при анализе оперировать понятием результирующего вектора сердца, являющегося суммой элементарных векторов каждого момента электрической активности миокарда. В процессе периодов возбуждения и восстановления сердечного цикла измеряют величину и направление результирующего вектора сердца, описывающего в пространстве из предполагаемого центра 109

сердца кривую, названную векторкардиограммой (ВКГ). В веторкардиографии принята своя система координат, для перехода к которой от обычной Декартовой системы координат следует учитывать, что Х = -х, Y = -z, Z = -y (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Декартова система координат xyz и XYZ, используемая в векторном и топографическом анализе ВКГ Три плоскости XZ, XY, и YZ, образованные этими осями координат, представляются как горизонтальная, фронтальная и сагиттальная плоскости соответственно. Существует два способа представления векторкардиограммы: скалярное и векторное. 2.2.1. Скалярное представление векторкардиограммы

Скалярное представление ВКГ вполне соответствует общепринятому представлению стандартной электрокардиограммы (ЭКГ) в двенадцати отведениях – измеренные сигналы изображаются в виде кривых изменения потенциала во времени для каждого отведения. Основные элементы каждой кривой ВКГ также аналогичны элементам стандартной ЭКГ. На рисунке 2.11 представлено упрощенное изображение скалярной ВКГ в одном отведении, содержащее все типичные элементы.

110

Рис. 2.11. Типичный кардиоцикл скалярной ортогональной электрокардиограммы в отведении Х Наибольшее по амплитуде, относительно быстрое отклонение, отражающее процесс деполяризации желудочков сердца называют комплексом QRS. Комплекс QRS, или желудочковый комплекс, отражает деполяризацию желудочков. Продолжительность его от начала зубца Q до начала зубца S не превышает 0,1 сек., и чаще всего он равен 0,06 или 0,08 сек. Измерение его производится в том отведении, где ширина его наибольшая. За комплексом QRS следует пологий или почти горизонтальный участок - сегмент S-T, соответствующий началу реполяризации желудочков, который переходит в отклонение, соответствующее конечной, быстрой реполяризации желудочков – зубец Т. После зубца Т в некоторых случаях удается зарегистрировать зубец U. Происхождение его до сих пор не совсем выяснено. Есть основание считать, что он связан с реполяризацией волокон проводящей системы. Он возникает через 0,04 сек после зубца Т. Перед комплексом QRS обычно имеется отклонение, которое имеет ровную округлую форму, характеризующее процесс деполяризации предсердий и называемое зубцом Р. Горизонтальный участок кардиограммы между зубцом Т (или U) одного из кардиоциклов и зубцом Р последующего кардиоцикла обычно используется в качестве истинной изолинии, относительно которой можно измерять значения всех представляющих интерес отклонений. Основные измеряемые параметры скалярной ВКГ - это амплитуда и длительность каждого зубца, а также длительность некоторых характерных комплексов и участков, которые могут включать несколько зубцов и промежутков между ними. Интервал PQ отражает время, необходимое для деполяризации предсердий и проведения импульса по атриовентрикулярному (АВ) соединению, его называют предсердно-желудочковый интервал. Его измеряют от начала зубца Р до начала желудочкового комплекса – зубца Q или зубца R при его 111

отсутствии. В норме продолжительность интервала Р-Q колеблется от 0,12 до 0,20 сек и зависит от частоты сердечных сокращений, пола и возраста исследуемого. Увеличение интервала P-Q характеризуется как нарушение AВ проводимости. 2.2.2. Векторное представление векторкардиограммы

Векторкардиограмма, как в норме, так и при патологии состоит из следующих элементов (рис. 2.12): 1. Изоэлектрическая (нулевая) точка. 2. Петля Р, являющаяся отражением процессов возбуждения миокарда предсердий, на скалярной ЭКГ ей соответствует зубец Р. 3. Петля QRS, являющаяся отражением возбуждения миокарда желудочков, на скалярной ЭКГ ей соответствует комплекс QRS. • начальное отклонение, соответствующее по времени появлению зубца Q на скалярной ЭКГ. • тело петли, в котором принято различать нисходящую (центробежную) и восходящую (центростремительную) части. • конечное отклонение, соответствующее по времени появлению зубца S на скалярной ЭКГ. 4. Петля Т, являющаяся отражением процесса восстановления (реполяризации) миокарда желудочков. На ЭКГ ей соответствует зубец Т.

Рис. 2.12. Векторная петля на плоскости и ее основные параметры. Интервалы Р-Q, S-Т, Т-Р на ВКГ не видны, так как в моменты, соответствующие отсутствию разности потенциалов, конец вектора сердца возвращается в нулевую точку. При анализе ВКГ определяют плоскостные и пространственные показатели динамики электрического поля сердца человека. При анализе плоскостных показателей векторной петли рассматривают проекции петель на координатные плоскости. При анализе векторной петли в каждой плоскости определяют: 112

-

длину и ширину петли QRS и их соотношение; отклонение вперед, назад, влево и вправо и их отношения в вертикальной, горизонтальной и сагиттальной плоскостях; величину и направление максимального вектора петель QRS и T; величину и направление моментных векторов (обычно моментные векторы определяются через каждые 0,01 с); угол расхождения между направлением максимальных векторов QRS и T (∟QRS-T); площади петель QRS и T; вектор полуплощади (вектор, который делит ВКГ-петлю на две части, равные по площади); время переднего и заднего отклонения петли QRS в горизонтальной и сагиттальной плоскостях, верхнего и нижнего отклонения во фронтальной плоскости; направление вращения петель QRS и T при формировании петель; При анализе пространственных показателей ВКГ определяют: максимальный модуль вектора в каждом из восьми октантов векторкардиографической системы координат; интервалы времени пребывания вектора в определенных октантах; степень отклонения формы ВКГ-петли от плоской, или ее изогнутости; пространственную скорость конца вектора сердца и угловую скорость вектора; скорость изменения площади поверхности, ометаемой вектором; истинную площадь пространственной ВКГ-петли. Векторкардиографическое исследование проводятся по следующим показаниям: • ранняя диагностика гипертрофии миокарда желудочков и предсердий. • диагностика гипертрофии желудочка на фоне блокады правой ножки пучка Гиса. • диагностика комбинированной гипертрофии желудочков. • наличие полифазных комплексов QRS в правых грудных отведениях. • инфаркты миокарда задней локализации. • мало измененная или нетипично измененная ЭКГ при несомненном заболевании сердца. • трудно интерпретируемые изменения предсердного и желудочкового комплексов ЭКГ. Средние величины показателей векторкардиограммы здоровых людей. В таблицах 2.2. и 2.3. приведены показатели ВКГ здоровых лиц, полученные Франком.

113

Плоскостные показатели ВКГ (на основании исследования 100 здоровых) Наименование Значений Максимальный вектор петли QRS, мВ Направление, градусы Максимальный вектор петли Т, мВ Направление, градусы Моментные векторы, градусы 0,01с 0,02с 0,03с 0,04с

Горизонтальная плоскость

Фронтальная плоскость

Таблица 2.2. Сагиттальная плоскость

1,12 ± 0,21

1,18 ± 0,15

1,16 ± 0,12

335 ± 30

42,3 ± 7,2

5,35 ± 22,3

0,58 ± 0,18

0,46 ± 0,11

0,52 ± 0,12

52 ± 12,5

36,2 ± 10,1

146,3 ± 30,2

120 ± 41 54 ± 25 12 ± 12 355 ± 20

152 ± 72 40 ± 53 36 ± 12 46 ± 18

192 ± 50 150 ± 38 146 ± 22 92 ± 16

Пространственные показатели ВКГ (на основании 100 здоровых) Наименование значений Максимальный пространственный вектор петли QRS, мВ Максимальный пространственный вектор петли Т, мВ Пространственный угол QRS-T, градусы Азимут, градусы Угол подъема, градусы

Таблица 2.3. Величины 1,42 ± 0,25 0,58 ± 0,22 68,7 ± 24,6 392,4 ± 35,3 50,4 ± 16,2

2.3. Применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведений векторкардиографии

С распространением автоматического анализа ЭКГ очень актуальным становится вопрос уменьшения числа отведений. Для этой цели хорошо подходит методика их восстановления. Проведем математическое моделирование процесса векторкардиографии. Дипольный эквивалентный электрический генератор сердца (ДЭЭГС) в процессе электрической систолы описывается колебательным контуром. Этот контур включает в себя активное, индуктивное и емкостное сопротивления, а также источник с ЭДС, изменяющейся по закону, который соответствует закону изменения потенциала водителя ритма (рис. 2.13). 114

R

Е C

L

Рис. 2.13. Колебательный контур. Рассмотрим работу ДЭЭГС в процессе электрической систолы. Будем считать, что сердце обладает активным сопротивлением R, индуктивностью L, и емкостью С. Так как обычно при диагностике исследуются измерения проекций интегрального электрического вектора (ИЭБ) на выделенные плоскости, рассмотрим в качестве модели ДЭЭГС три взаимно перпендикулярных колебательных контура, расположенных во фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскостях (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схема дипольного эквивалентного электрического генератора сердца ЭДС Е во всех контурах одинаковы. Для желудочков непосредственным водителем ритма является атриовентрикулярный узел. Так как в процессе кардиоцикла происходит изменение емкости С связанной с циклической частотой, то электрические колебания в ДЭЭГС носят параметрический характер. Любой плоскости зависимость дипольного момента D ИЭВ от угла поворота θ определяется дифференциальным уравнением d 2D + D = C1 . dΘ 2

(2.1)

где С1- постоянная величина. Решением этого уравнения является зависимость вектора дипольного момента от угла поворота и времени, которое удобно записать в виде 115

D = A sin 2 (Θ + ϕ ) / 2 + B cos 2 (Θ + ϕ ) / 2 .

(2.2)

В формуле (2.2) А и В – постоянные интегрирования, так что С1=(А+В)/2. Угол ϕ - это угол наклона электрической оси сердца (ЭО) или оси петель вектор - электрокардиограммы. На рисунке 9 показана векторкардиограмма петель SQR и T, построенная по формуле (2.2).

Рис. 2.15. Векторкардиограмма в полярных координатах. Угол ϕ принят равным 2,3 рад, что примерно соответствует норме. Положительным считается направление против часовой стрелки. Проектируя на линию отведения петли рис. 2.15 на горизонтальное направление – отведение Х векторкардиограммы, можно построить линейную векторкардиограмму по формуле: ⎛ cos 2 (Θ + ϕ ) / 2 sin 2 (Θ + ϕ ) / 2 ⎞ ⎜ ⎟⎟ cos Θ , −T U Х = kD cos Θ = ⎜ R 2 2 cos cos ⎝ ⎠

(2.3)

где k – постоянный коэффициент, согласующий размерность U и D; R и T – амплитуды зубцов ЭКГ. (Рисунок 2.16 построен для длин главных осей петель В=2,0·10-5 Ам [3]. А=В/(R/T)=0,67·10-5 Ам. Амплитуды зубов ЭКГ приняты: R=1,5 мB, T=0,5 мB.) Из сравнений формул (2.2) и (2.3), а также рисунка 2.16 видна связь проекций длин главных осей петель SQR и T равных соответственно В и А на линию отведения амплитудами зубцов линейной ЭКГ R и T. Аналогично рассуждая можно получить выражения для отведений Y и Z: ⎛ cos 2 (Θ + ϕ ) / 2 sin 2 (Θ + ϕ ) / 2 ⎞ ⎟⎟ sin Θ , U Y = kD sin Θ = ⎜⎜ R T − 2 2 cos cos ⎝ ⎠

(2.4)

116

⎛ cos 2 (Θ + ϕ ) / 2 sin 2 (Θ + ϕ ) / 2 ⎞ ⎜ ⎟⎟ cos Θtgϕ . U Z = kD cos Θtgϕ ⎜ R −T 2 2 cos cos ⎝ ⎠

(2.5)

Графики функций, описывающие три ортогональных отведения векторкардиографии представлены на рисунке 2.16. Х Y Z

Рис. 2.16. Математические модели ортогональных отведений векторкардиографии. 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортогональных

Существует метод линейного синтеза стандартной электрокардиограммы, сигнал каждого стандартного отведения представляют в виде суммы произведений сигналов трех ортогональных отведений на постоянные коэффициенты. Тогда сигнал любого стандартного отведения в каждый момент времени можно выразить следующим уравнением:

ϕ (t ) = L TX Χ (t ) + L TY Y (t ) + L TZ Z (t ) где X(t) Y(t) Z(t) – сигналы трех ортогональных отведений в стандартной векторкардиографической системе координат, показанной на рисунке Ltx Lty Ltz – постоянные коэффициенты (i = |, ||, |||, аVL, аVR, аVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6 обозначение стандартных отведений). При этом сигналы всех отведений удобно трактовать как потенциалы поля дипольного электрического генератора, изменяющего на протяжении кардиоцикла свою интенсивность и свою ориентацию, т.е. вектор дипольного момента, а коэффициенты Ltx Lty Ltz – как компоненты вектора отведения. Для определения этих коэффициентов используют методы, основанные либо на формулировке и расчете более или менее сложных электродинамических моделей сердца как дипольного электрического генератора и тела как объемного проводника, либо на экспериментальном исследовании реальных испытуемых и подборе значений коэффициентов из условия наиболее точного приближения стандартной электрокардиограммы при помощи ортогональной для кардиоцикла в целом. Последний, эмпирический подход отличается тем, что коэффициенты учитывают не только собственно дипольный вклад в сигналы стандартных отведений, найденные экспериментально при использовании разных методов синтеза отведений на основе корригированной ортогональной системы отведе117

ний Франка таблица 2.4. Нередко наблюдаются весьма значительные различия между измеренными и синтезированными стандартными электрокардиограммами у конкретных испытуемых, особенно в грудных отведениях. Тем не менее, при использовании постоянных осреднений значений коэффициентов, определении на синтезированной стандартной электрокардиограмме общепринятых параметров и применении к ним общепринятых критериев диагностики удается в среднем получить практически такую же точность диагностики, как и при регистрации стандартной электрокардиограммы. Стандартное отведение I II III АVR AVL AVF V1 V2 V3 V4 V5 V6

LX

LY

1.05 0.37 -0.68 -0.71 0.87 -0.15 -0.65 0.06 0.99 1.67 1.53 1.10

-0.28 1.45 1.73 -0.59 -1.01 1.59 -0.67 -0.86 -0.42 -0.13 -0.06 -0.06

Таблица 2.4. LZ 0.19 -0.14 -0.33 -0.03 0.26 -0.24 -1.06 -1.58 -1.50 -0.84 -0.14 0.33

Применив данный метод синтеза к рассмотренной выше математической модели процесса векторкардиографии были получены следующие результаты для второго отведения (II(x)), для второго грудного отведения (V2(x)) и для отведения aVR (aVR(x)): Таким образом, мы на собственном опыте убедились в том, что методика восстановления стандартных отведений из трех ортогональных теоретически обоснована и может быть использована в разрабатываемом устройстве с целью синтеза двенадцати общепринятых отведений из регистрируемых ортогональных на компьютере. 3. Искусственная вентиляция легких

Искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) применяют ежедневно у многих тысяч больных во время оперативных вмешательств и в процессе интенсивной терапии. Для большинства анестезиологов и реаниматологов ИВЛ – рутинная процедура. Однако кажущаяся некоторым врачам простота и “привычность” ИВЛ не гарантируют от ошибок и связанных с ними осложнений. Различным проблемам теории и практики ИВЛ посвящено огромное число исследований. Это свидетельствует, что далеко не все вопросы разре118

шены. Различные методы искусственной вентиляции используют не только анестезиологи и реаниматологи, но и терапевты, невропатологи, токсикологи, врачи скорой помощи. За последние 10 лет произошли значительные изменения во многих концепциях и подходах к респираторной поддержке. В первую очередь это касается разработки и внедрения в практику новых способов и режимов ИВЛ, особенно вспомогательной вентиляции легких (ВВЛ). Усовершенствованы методы проведения ИВЛ и ВВЛ без интубации трахеи через маску и трахеальный катетер. Отечественные анестезиологи и реаниматологи получили возможность использовать многие современные аппараты ИВЛ (респираторы), которые обладают широкими функциональными возможностями. Значительно расширились также возможности инструментального обследования больных и мониторинга. В то же время опыт показывает, что все эти возможности используются не всегда в достаточной степени и методически правильно. Это не только обедняет арсенал средств респираторной поддержки, но и может принести вред больному. В зарубежной литературе в последние годы получил достаточно широкое распространение термин «respiratory support» – респираторная поддержка. Можно считать этот термин вполне правомочным, если под ним понимают методы, позволяющие обеспечить полноценную вентиляцию легких, когда самостоятельное дыхание выключено, утрачено или резко нарушено. Но не следует ставить знак равенства между респираторной поддержкой и респираторной терапией. Последнее понятие гораздо шире, в него входит комплекс методов, улучшающих тканевый газообмен воздействием на аппарат вентиляции, кровообращение и метаболизм. Что касается респираторной поддержки, то основными ее компонентами являются ИВЛ и ВВЛ. Большой опыт мировой практики, предполагающий наличие у врача современной высококачественной аппаратуры не означает, что эффективную респираторную поддержку невозможно осуществить с помощью широко распространенной отечественной аппаратуры. Подтверждение этому – десятки тысяч успешно проведенных анестезий при сложнейших операциях и тысячи спасенных жизней больных с тяжелейшими формами дыхательной недостаточности, многочисленные глубокие исследования, проведенные в нашей стране с помощью относительно простых аппаратов с ограниченным выбором режимов. 3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности

Имеется множество определений дыхательной недостаточности. Не вдаваясь в анализ и критический обзор разноречивых взглядов многих исследователей, приведем определение, основанное на принятом в 1962 г. на XV Всесоюзном съезде терапевтов, с небольшим, но практически важным дополнением. Это определение отражает взгляды классиков отечественной физиологии и терапии Л.Л. Шика и А.Г. Дембо. Оно лучше всего подходит для 119

клинической практики. Дыхательная недостаточность – состояние организма, при котором либо не обеспечивается поддержание нормального напряжения О2 и СО2 в артериальной крови, либо оно достигается за счет повышенной работы внешнего дыхания, приводящей к снижению функциональных возможностей организма, либо поддерживается искусственным путем. Как видно из определения, дыхательная недостаточность совсем не обязательно проявляется гипоксемией и гиперкапнией, при медленном развитии включается ряд компенсаторных механизмов (в первую очередь усиленная работа дыхания), позволяющих длительно поддерживать PaCO2 и PaO2 на приемлемом для организма уровне. На ранних стадиях медленно развивающегося процесса нарушения газового состава и кислотно-основного состояния (КОС) крови могут возникать только при физической нагрузке. Дыхательная недостаточность бывает острой и хронической. Последняя нарастает постепенно, развивается в течение нескольких месяцев или лет. Для нее характерно сочетание гипоксемии с гиперкапнией, но pH может длительно оставаться в пределах нормальных значений. Расстройства гемодинамики также возникают достаточно поздно, а поражение недыхательных функций легких – в основном в финальной стадии и при декомпенсации. Острая дыхательная недостаточность имеет важные качественные отличия от хронической. Острая дыхательная недостаточность – быстро нарастающее тяжелое состояние, обусловленное несоответствием возможностей аппарата внешнего дыхания метаболическим потребностям органов и тканей, при котором наступает максимальное напряжение компенсаторных механизмов дыхания и кровообращения с последующим их истощением. Даже при максимальном напряжении компенсаторных механизмов не обеспечивается нормальное PaO2 и нормальное PaCO2 . ОДН всегда сопровождается нарушением гемодинамики. Для ОДН характерно быстрое развитие, уже через несколько часов, а иногда и минут может наступить смерть больного. Характерным признаком ОДН является гипоксемия (если она не устранена искусственным путем). При большинстве форм ОДН гипоксемия чаще всего сочетается с гипокапнией, повышение PaCO2 происходит в далеко зашедших стадиях, а также при некоторых формах ДОН. На раннем этапе возникают сдвиг pH в кислотную сторону за счет генерализованных нарушений гемодинамики и нарушение метаболических функций легких. 3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недостаточности

При оценке степени тяжести ОДН необходимо учитывать не только глубину гипоксии или гиперкапнии, но и состояние компенсаторных функций организма. При этом надо иметь в виду положительные и отрицательные стороны усиленной компенсации, четко представлять себе, какими усилиями 120

достигается устранение или уменьшение тканевой гипоксии и насколько оно полноценно. При ОДН одной из первых и основных реакций на гипоксемию является увеличение МОД. Он достигается в начале увеличением дыхательного объема (если это возможно в данных условиях), а затем учащением дыхания. Увеличение глубины дыхания способствует снижению шунтирования крови справа налево и улучшению центральной гемодинамики, но при этом повышается потребление кислорода. Различают четыре типа (стадии) компенсаторной гипервентиляции. При первом, наиболее физиологичном, типе МОД увеличивается только на 20 – 25 %, но VO2 возрастает более чем в три раза. Этот тип компенсации характерен для больных с умеренными нарушениями гемодинамики, отсутствием выраженного снижения кислородной емкости крови. Компенсация достигается за счет увеличения дыхательного объема. Второй тип компенсации – значительное увеличение МОД (на 85 – 90 %) и учащение дыхания, VO2 повышено втрое. Третий тип крайнее напряжение компенсаторных механизмов. МОД увеличен в 2 раза, но VO2 всего на 30 – 35 % превышает должные величины. Четвертый тип (стадия) – наступающая декомпенсация. МОД уменьшается и только на 30 – 35 % превышает должные величины. Дыхательный объем значительно снижен, гипервентиляция осуществляется за счет резкого увеличения частоты дыхания. Другим, тоже очень рано включающимся компенсаторным механизмом является увеличение транспорта кислорода. В ответ на снижение оксигенации тканей увеличивается сердечный выброс. Однако при этом также имеют место два механизма компенсации: увеличение ударного объема (благоприятный тип компенсации) и увеличение частоты сердечных сокращений и сердечного индекса без возрастания ударного объема (неблагоприятный тип компенсации). При тахикардии, как правило, развивающейся у больных с ОДН, значительно увеличивается потребление кислорода миокардом и истощаются резервы последнего. Одним из компенсаторных механизмов является расширение капиллярной сети, в результате чего увеличивается ее пропускная способность. Эта реакция возникает чаще всего в ответ на гиперкапнию. Однако расширение капилляров быстро приводит к стазу в них, депонированию и сгущению крови. Таким образом, транскапиллирный обмен падает, и временно увеличенная доставка кислорода к тканям снижается ниже исходного уровня. Наконец, при накоплении в организме недоокисленных продуктов обмена и связанной угольной кислоты (бикарбоната) они начинают усиленно выделяться с мочой. При этом в почечных канальцах усиливается реабсорбция гидрофильных ионов натрия. Это приводит к задержке натрия и воды в организме и олигурии. Таким образом ОДН приводит в действие целый ряд сложных компенсаторных механизмов, несовершенство которых заложено в самой их основе. После определенного периода напряжения функции ряда систем (в первую очередь дыхания и кровообращения) наступает их декомпенсация. 121

3.1.2. Клинические признаки острой дыхательной недостаточности

Первым клиническим симптомом ОДН чаще всего является ощущение нехватки воздуха (одышка). Дыхание становится сначала углубленным, затем учащенным. При непроходимости верхних дыхательных путей одышка носит преимущественно инспираторный характер, при бронхиальной непроходимости – экспираторный. В случае преобладания рестриктивных процессов и шунтирования крови справа налево дыхание сразу становится учащенным. Если гипоксемия сочетается с гипокапнией, то развитие клинической картины можно разделить на три стадии. Стадия 1. Первые симптомы – изменение психики. Больные несколько возбуждены, напряжены, негативны по отношению к окружающим, часто жалуются на головную боль. Артериальное давление, особенно диастолическое, повышено, тахикардия. Стадия 2. Сознание спутано, появляются агрессивность, двигательное возбуждение. При быстром нарастании гипоксии могут быть судороги. В дыхании принимают участие вспомогательные мышцы. Стойкая артериальная гипертония, тахикардия, иногда экстрасистолия. Стадия 3. Гипоксическая кома. Сознание отсутствует. Возникают судороги. Артериальное давление критически падает. Аритмия пульса. Если больному не оказана своевременная помощь, наступает смерть. При сочетании гипоксемии с гиперкапнией (гиповентиляционный синдром) также можно различить три стадии. Стадия 1. Больные эйфоричны, говорливы, но речь прерывистая. Бессонница. Артериальное и центральное венозное давление повышено. Тахикардия. Стадия 2. Больные возбуждены, иногда беспричинно веселы, не отдают себе отчета в тяжести своего состояния. Выраженная артериальная и венозная гипертония, стойкая тахикардия. Стадия 3. Ацидотическая кома. Сознание постепенно утрачивается, больные «успокаиваются», впадают в карбонаркоз. Арефлексия. Артериальное давление снижается, пульс аритмичный. Наступает смерть. Определение степени тяжести ОДН чрезвычайно важно для выбора рациональной терапии. 3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиляции легких

Искусственной вентиляцией легких (ИВЛ) называют обеспечение газообмена между окружающим воздухом (или специально подобранной смесью газов) и альвеолярным пространством легких искусственным способом. Основными задачами ИВЛ в интенсивной терапии являются обеспече122

ние адекватного метаболическим потребностям организма газообмена в легких и полное освобождение больного от работы дыхания. Вспомогательной вентиляцией легких (ВВЛ) принято называть поддержание заданного (или не ниже заданного) минутного объема вентиляции при сохраненном дыхании больного. Основными задачами ВВЛ являются поддержание адекватного газообмена в легких, уменьшение работы дыхания, а также облегчение перехода больного от ИВЛ к самостоятельному дыханию. Основным методом ИВЛ в настоящее время является вдувание газа в дыхательные пути. Но не меньший интерес вызывает проблема управления функцией внешнего дыхания путем ритмической электрической стимуляции диафрагмальных нервов (ЭСДН) и диафрагмы (ЭСД). 3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания

Сообщения об успешном применении длительной ЭСДН у больных бульбарным полиомиелитом появились в 1948 – 1950г. На первых этапах разработки методов основное внимание уделяли изучению возможности их длительного использования при вентиляционной центрогенной и нервномышечной ОДН (энцефалит, полиомиелит, травма шейного отдела спинного мозга и т.д.). Успешно применяется кратковременная ЭСДН и ЭСД после нейрохирургических операций, при ОДН, вызванной черепно-мозговой травмой, высокой спиномозговой анестезией, травматическим шоком, а также для респираторной поддержки в до- и послеоперационном периодах при операциях на легких и при отравлении барбитуратами. Метод ЭСДН не получил распространения из-за необходимости оперативного вмешательства (обнажение диафрагмального нерва для наложения на него электрода), развития в этой области отека тканей, деполяризации в месте контакта стимулирующих электродов с нервом; трудности обеспечения стабильного эффекта и опасности повреждения сосудистых стволов (при подкожном введении игольчатых электродов в область грудинноключичного сочленения); нестабильности эффекта и возникновения побочных явлений (при транскутанной электростимуляции в области шеи с помощью «пальцевого» электрода) и т.д. Метод чрескожной ЭСД лишен вышеперечисленных недостатков поэтому он находит широкое применение особенно в комплексной терапии больных со специфическими и неспецифическими заболеваниями легких. 3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической стимуляции диафрагмального дыхания

Для ЭСД используют четыре сетчатых плоских электрода. Процедуру выполняют натощак или через 1,5 – 2 часа после еды в положении больного лежа на спине. Наложение электродов. На поверхность электродов наносят тонкий слой 123

токопроводящей пасты (можно использовать пасту для электродов ЭКГ) или накладывают марлевые салфетки, смоченные изотоническим раствором хлорида натрия. Два катода (активные электроды) накладывают в седьмом межреберье кнаружи от срединно-ключичной линии симметрично с обеих сторон. Электроды должны плотно прилегать к коже. Для этого в зависимости от формы грудной клетки их можно сдвинуть на 2—3 см в ту или другую сторону по ходу межреберья. Два анода (пассивные электроды) накладывают на спину на уровне Тhх по горизонтали и так, чтобы они находились напротив катодов (расположенных спереди) по вертикали. Электроды закрепляют резиновым ремнем или лейкопластырем. При неэффективности процедуры можно поменять расположение электродов (катоды сзади, аноды спереди). Подбор параметров чрескожной ЭСД. Во время каждого сеанса, в его начале, а иногда и на всем протяжении, необходим индивидуальный подбор параметров. После включения аппарата в первую очередь подбирают частоту импульсов («частота дыхания») соответственно частоте дыхания больного. Если в процессе сеанса ЧЭСД частота собственного дыхания пациента снижается, частоту импульсов также следует уменьшить. Затем подбирают «скважность», т.е. отношение длительности вдох : выдох. Практика показала, что в основном больные хорошо переносят отношение 1 : 1, которое мы и рекомендуем использовать. Однако возможно и отношение 1 : 2 и даже 1 : 3, но только, если это создает комфорт для пациента. Подбор напряжения (от 10 до 50 В) осуществляют путем постепенного его повышения, до появления у больного ощущения сокращения диафрагмы, синхронно с началом спонтанного вдоха, обязательно (1) совпадающего с сигналом аппарата. Обычно при повышении напряжения вначале начинают слегка сокращаться мышцы передней брюшной стенки, а затем появляется глубокий вдох, свидетельствующий об активизации диафрагмы. При появлении ощущения покалывания в местах наложения электродов необходимо уменьшить напряжение. Чаще всего напряжение подбирают в диапазоне от 20 до 50 В. Однако у некоторых больных на протяжении сеанса может наступить привыкание диафрагмы к электрическому раздражению и дыхательный объем уменьшается. При этом следует несколько повысить напряжение импульса. В наших наблюдениях длительность импульса также подбирали индивидуально, в зависимости от ощущений больного. Большинство пациентов отмечали состояние комфорта при длительности 0,5—0,8 мс. Мы отметили, что у больных с выраженной эмфиземой легких приходилось задавать наибольшие напряжение и длительность импульсов. Иногда у больных может возникать кратковременное головокружение, связанное с избыточной вентиляцией легких. В этом случае рекомендуется уменьшить частоту дыхания, генерируемую аппаратом так, чтобы она была на 10—20 % меньше частоты самостоятельного дыхания. При собственной частоте дыхания больше 20 в минуту следует устанавливать частоту импульсов близкой к частоте дыхания пациедта, а для исключения гипервентиляции 124

уменьшать амплитуду тока до 80—90 % от субмаксимального уровня. Продолжительность первого сеанса обычно составляет 15— 20 мин, последующих, в зависимости от переносимости процедуры, — 20—30 мин. Частота проведения сеансов —1—2 в сутки. Для повышения эффективности чрескожной ЭСД рекомендуется сочетать ее с ингаляцией кислорода и ультразвуковой аэрозольной терапией. Предложены различные составы для ингаляций, например: раствор йодида калия 3 % — 7,0 мл раствор эуфиллина 2,4 % — 2,0 мл раствор эфедрина 5% —0,5 мл ИВЛ (в первую очередь при катетерном способе) и необходимого мониторинга является важной задачей. Роль этих факторов существенно возрастает при проведении длительной струйной ВЧ ИВЛ. При инжекционной ВЧ ИВЛ проблемы кондиционирования могут быть достаточно успешно решены за счет эжекции аэрозоля, горячего пара (при коммутации аэрозольного ингалятора или увлажнителя-обогревателя с инжектором) или гипербарического кондиционирования, при чрескатетерной струйной ВЧ ИВЛ — путем использования гипербарического кондиционирования, а при проведении ВЧ ВВЛ — за счет ингаляции теплого аэрозоля пациентами, находящимися в сознании. Рекомендуется также сочетать сеансы ЭСД с массажем грудной клетки и лечебной физкультурой, стационарной фибробронхоскопией, физиотерапевтическими процедурами, направленными на ослабление воспалительного процесса в бронхах. Таким образом, для ЭСД характерно: - частота дыхания полностью определяется больным; - дыхательный объем несколько увеличен за счет увеличения амплитуды движения диафрагмы; - работа дыхания не уменьшается, а несколько увеличивается. Если параметры чрескожной ЭСД подобраны правильно, во время сеанса больной не отмечает никаких неприятных ощущений. Наоборот наступает состояние покоя, расслабленности. Многие пациенты во время сеанса засыпают, у них уменьшается частота дыхания, менее выражено ощущение нехватки воздуха. При откашливании облегчается отхождение мокроты. Непосредственно после сеанса ЭСД несколько улучшаются спирографические показатели и РО2 капиллярной крови. Однако эффект от одного сеанса ЭСД нестоек и перед следующим сеансом основные параметры дыхания возвращаются к исходным величинам. Более стойкое улучшение наступает после 5 – 6 сеансов. В раннем периоде после полостных оперативных вмешательств у больных, которым до операции применяли ЭСД, быстрее восстанавливается спонтанное дыхание. Своеобразная тренировка дыхания во время сеансов ЭСД позволяет больным в послеоперационном периоде легче контролировать процесс вентиляции легких, периодически увеличивать дыхательный объем и откашливать мокроту. Методика ЭСД во время операций не отличается от общепринятой. Для 125

поддержания стабильного эффекта рекомендуется постепенно увеличивать амплитуду напряжения, а в раннем послеоперационном периоде для облегчения синхронизации с электростимулятором проводить процедуру в положении Шеде (с согнутыми в коленях ногами). 3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П

Электростимулятор дыхания ЭСД-2П (рис. 2.17) представляет собой переносной прибор настольного типа, конструктивно выполненный в виде двух блоков, габариты каждого блока 25 × 25 × 13 см, общая масса аппарата не превышает 5 кг. На лицевой панели каждого из блоков размещены ручки и кнопки для подбора выходных параметров. Первый блок служит для регулирования выходных энергетических сигналов: амплитуды импульсов от 0 до 20 мА и напряжения от 0 до 50 В в зависимости от применяемого типа электростимуляции. На лицевой панели второго блока расположены два ряда кнопок, по 10 кнопок в каждом. Они служат для установления длительности одиночного импульса от 0,1 до 1,0 мс (верхний ряд) и частоты следования пачек импульсов (частота дыхания) с дискретным регулированием от 10 до 56 циклов в минуту. Принципиальным для электростимуляции дыхания является, как происходит заполнение пачек импульсов, от этого зависит характер сокращения диафрагмы и вдоха — будет ли он достаточно плавным или резким, тетанического типа. Одни исследователи предпочитают применять ЭСД с амплитудной модуляцией, т.е. с постепенным нарастанием амплитуды импульсов в посылке, другие — с частотной модуляцией, когда при фиксированной амплитуде сигнала постепенно меняется частота заполнения посылки электрическими импульсами. На наш взгляд, в аппарате ЭСД-2П удачно реализован принцип частотной модуляции: до середины посылки импульсов их частота нарастает по линейно-ступенчатому закону от 9 до 27 Гц, а в течение второй половины посылки — остается постоянной, равной 27 Гц. Как свидетельствует наш опыт применения электростимулятора у хирургических и терапевтических больных, при данном принципе заполнения посылки импульсов обеспечивается достаточно плавное сокращение диафрагмы и отсутствие дискомфортных ощущений у пациентов. Основное назначение электростимулятора ЭСД-2П — проведение чрескожной электростимуляции диафрагмы с помощью пластинчатых электродов (см. введение). Однако он может быть применен и для непосредственной стимуляции диафрагмального нерва или диафрагмы, а также для проведения радиочастотной стимуляции с помощью отдельного блока. С этой целью в комплект аппарата входят дополнительно соответствующие электроды. Электростимулятор содержит также дополнительный вход для запуска внешним импульсом, что дает потенциальную возможность его применения в биосинхронизированном режиме («триггерная ЭСД»). В более простом варианте, применяемом, например, для адаптации пациента к электростимулятору, предусмотрена возможность ручного запуска пачки импульсов син126

хронно с началом дыхательной попытки пациента.

Рис. 2.17. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П. 3.4. Использование реографических методов для оценки интенсивности дыхания Реография – это бескровный метод исследования кровоснабжения различных органов, основанный на регистрации изменения электрического сопротивления тканей органов человека помещенных в электрическое поле или включенных в электрическую цепь. Биофизически основой этого метода является зависимость сопротивления тканей органов от изменения объёма и состава крови в исследуемом участке тела человека. Измеренный при реографических исследованиях полный импеданс состоит из переменной и постоянной составляющих. При исследовании гемодинамики информативной является переменная составляющая (пульсовой импеданс). Имеются сообщения об использовании при реографии значений постоянной составляющей компоненты сопротивления (базового импеданса) грудной клетки. По мнению большинства специалистов величина базового импеданса (R) определяется видом и объёмом биологических тканей, заключенных в межэлектродном пространстве. При этом одни из них (жировая клетчатка, сердце, костная, лёгочная и соединительная ткани) обладают относительным постоянством при формировании базового импеданса, другие (биологические жидкости и альвеолярный воздух) являются наиболее изменяющимися компонентами базового импеданса. Эти данные позволяют использовать величину базового импеданса как для суждения об уровне давления в лёгочной артерии, так и для оценки изменения насыщения крови и альвеол кислородом, зависящей от интенсивности дыхания. При таких исследованиях целесообразно использовать отношение расчетного и истинного базовых импедансов, условно названное индексом базового импеданса (ИБИ). Величина расчетного базового импеданса определяется исходя из формулы: (2.6) Rp = (ρ ∗ l 2) / V 127

Где ρ - удельное сопротивление крови (Ом ∗ см), l – расстояние между электродами, V – межэлектродный объём биоткани. Считаем в первом приближении объём биоткани пациента в межэлектродном пространстве близким к цилиндрическому. Исходя из этого получаем: (2.7) V = (с2 ∗ l) / 12.56 Где с – окружность грудной клетки в состоянии выдоха на уровне мечевидного отростка грудины (см). Величина истинного базового импеданса вычисляется по формуле: R = (ρэкв. ∗ l 2)

(2.8)

Где ρэкв. – удельное сопротивление тканей между электродами, Так как наиболее токопроводящей является кровь, то ρэкв > ρ, и, следовательно ИБИ < 1. При таком соотношении ρэкв и ρ снижение ИБИ должно говорить об уменьшении содержания в крови кислорода, т.е. об уменьшении интенсивности дыхания. Были проведены многочисленные исследования этой проблемы. При проведении реографического исследования были обнаружены отклонения от нормы у 150 человек. У 75 из 150 больных при рентгеноскопическом анализе были обнаружены признаки застоя в легких различной степени. Результаты исследования, обработанные методами корреляционного анализа позволили определить средние значения ИБИ, базового импеданса R и общего периферического сопротивления (ОПС). Эти данные приведены в таблице 2.5. Таблица 2.5. Показатель ИБИ ОПС R, Ом

Без изменеВенозный заДиффузионИнтерстиционий в лёгких стой в верхних ный застой в нальный отёк долях лёгких лёгких лёгких -2 -2 -2 6.2 ∗ 10 5.8 ∗ 10 4.95 ∗ 10-2 7.8 ∗ 10 ±0.003 ±0.002 ±0.0015 ±0.002 1810 ±121 1920 ±135 2360 ±210 2660 ±304 144 ±4.8

147 ±4.3

150 ±3.1

152 ±4.6

Приведенные данные показывают, что на основании реографического исследования можно оценивать динамику изменения интенсивности дыхания, причём уменьшению интенсивности дыхания будет соответствовать уменьшение ИБИ, рост ОПС и базового импеданса R. Из всех известных способов включения объекта в измерительную цепь наи128

более информативным является тетраполярный способ, при котором раздельно соединяются генераторная (токовая) и измерительная (потенциальная) цепи. Генераторная цепь обеспечивает стабильный ток, а измерительная в этом случае позволяет оценивать изменение сопротивления. 3. Электрохимические методы 1. Исследование метода определения рН в органах желудочно-кишечного тракта 1.1. Постановка проблемы измерения рН

Ранняя и объективная диагностика заболеваний, в том числе функциональных нарушений желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) — актуальный и важный этап развития современной гастроэнтерологии. Интенсивное изучение секреторной функции желудка в клинике и в эксперименте в течение последних 100 лет позволило раскрыть многие стороны физиологии и патологии ЖКТ. Понять в полной мере патологические сдвиги секреторной функции желудка, оценить влияние и взаимосвязи с функциями других органов и систем, а также субъекта в целом, невозможно без знания его нормальной физиологии. Прежде, чем приступить к исследованию функционального состояния желудка, врач должен иметь представление о том, что считать нормальным желудком, нормальным исходным состоянием и нормальной реакцией системы желудка. Главным критерием нормальности всей системы ЖКТ является способность работать и управлять своими функциями. Нормальным исходным состоянием следует считать такое функциональное состояние кислотообразующих желез, когда они натощак находятся в физиологическом покое и не выделяют соляную кислоту. При этом внутрижелудочная среда имеет нейтральную или щелочную реакцию. Однако исходное состояние данной системы еще не свидетельствует о нормальном желудке, пока не станет известно, способна ли кислотообразовательная система выделять соляную кислоту при воздействии адекватных раздражителей. Нормальная ответная реакция желудка — это способность его кислотообразовательной системы выделять соляную кислоту. Термином "желудочное содержимое" принято обозначать сложную смесь из собственно желудочного сока, переваренной в той или иной степени пищи, слюны и частично дуоденального химуса. Желудочный сок, имеющий достаточно сложный состав, продуцируется неоднородными в морфологическом отношении клетками. Клетки слизистой оболочки дна и тела желудка вырабатывают как кислый, так и щелочной секреты, клетки антрального отдела — только щелочной. При этом клетки поверхностного эпителия дна и тела желудка продуцируют слизь, главные клетки — преимущественно ферменты, а обкладочные клетки — соляную кислоту. В упрощенном виде об129

кладочная клетка рассматривается как мощный механизм, осуществляющий разделение Н + и ОН − (НСО − з), что позволяет доводить величину рН в полости желудка до 0,8. Выделение соляной кислоты в желудке создает резкий перепад величины рН как по отношению к величине рН в полости рта, так и в полости 12-перстной кишки, куда поступают щелочные секреты. Скачкообразные изменения рН вдоль пищеварительной трубки являются своеобразным приспособлением, обеспечивающим оптимальную деятельность ферментов. Увеличение кислотности среды вызывает инактивацию ферментов, действующих только в щелочной среде и создает условия для пепсинов — протеолитических ферментов желудка, два из которых эффективны в диапазоне рН от 1,5 до 2 и от 3,2 до 3,5. Кислая среда способствует быстрому образованию пепсина из его предшественника пепсиногена. Активность водородных ионов в полости желудка и 12-перстной кишки является мощным регулятором секреторной и двигательной активности желудка, а также деятельности близлежащих органов — поджелудочной железы, печени, желчевыводящей системы, кишечника и т.д. Как известно, степень кислотности или щелочности растворов выражается или концентрацией в них ионов водорода (ммоль/л) или в единицах рН. Поскольку концентрация ионов водорода в растворах, с которыми чаще всего приходится иметь дело в повседневной практике очень мала (например концентрация водородных ионов в чистой воде составляет 10 −7 моль/л), что неудобно, в 1909 году Sorensen предложил использовать водородный показатель - рН. По определению Sorensen рН является логарифмом концентрации ионов водорода в водном растворе, взятому с обратным знаком: pH=-lg[H + ] Таким образом, в нейтральной среде, где концентрация Н+ составляет −7 10 , рН составляет 7 единиц. В кислых растворах, где концентрация ионов водорода выше (например, 10 −2 или 10 −3 моль/л), рН < 7, а в щелочных (например, 10 −8 или 10 −9 моль/л), рН > 7 единиц. Пятнадцать лет спустя с развитием термодинамической концепции ионной активности определение Sorensen было изменено, и сегодня рН определяют как логарифм активности ионов водорода, взятый с обратным знаком. Активность ионов равна их концентрации только в том теоретическом случае, когда в исследуемом растворе отсутствуют другие ионы. При добавлении в раствор одних ионов одновременно в него добавляются и другие ионы, противоположного заряда. Взаимодействие между двумя видами ионов приводит к изменению активности обоих, хотя их концентрация не изменяется. Поэтому пересчет показателей рН, которые отражают активность ионов водорода в концентрацию может производиться только приблизительно. В 1909 году Sorensen впервые использовал для измерения рН электрохимические электроды. Внутрижелудочную рН-метрию впервые провел McCledon в 1915 году. В нашей стране теорию внутрижелудочной рН-метрии, ее клиническое применение и изучение физиологических и патологических процессов кислотообразовательной функции ЖКТ данным методом разработал Е.Ю. Линар 130

(1957 г.). Им же были созданы модели рН-зондов и первые регистрирующие приборы. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ

Исследованию кислотообразующей функции желудка (КФЖ) на протяжении многих десятилетий посвящено много как научных, так и практических работ. Развитие данной отрасли медицинской науки и практики всецело зависело от достижений в других областях — биохимии, технике, электронике и т.д., что и отразилось на технике, технологии и методологии исследовании КФЖ и резко повлияло на качество диагностики и принципы лечения больных с заболеваниями ЖКТ. Развитие шло как бы двумя путями — беззондовым и зондовым, от простого к более сложному. Беззондовые методы — определение кислотности с помощью ионообменных смол (ацидотест, гастротест), метиленовой синью, по уропепсиногену и т.д. из-за низкой информативности и достоверности не нашли широкого применения в практике, хотя и освобождали пациента от многих психоэмоциональных нагрузок. Второй путь — зондовые, аспирационные, титрационные методы от одномоментного зондирования по Боасу-Эвальду до многофракционного зондирования. Но все виды аспирационно-титрационных методов зондирования не отражают действительного состояния кислотообразующей функции желудка пациента, хотя еще и находят в различных модификациях практическое применение. Основным недостатком метода отсасывания и титрования желудочного содержимого является то, что исследование общей смеси секретов всех продуцирующих желез желудка и примесей к ней соков верхних и нижних этажей ЖКТ не позволяет проводить динамическое наблюдение за образованием соляной кислоты во время еды и введением физиологических раздражителей или иной фармакологической пробы с целью выявления режима управляемости системой. Отсутствие возможности при титровании с помощью индикаторов определения соляной кислоты в случаях примеси к желудочному соку желчи и крови и неточность самого титрационного метода дает возможность определения свободной соляной кислоты лишь в диапазоне с рН от 2,5 и меньше, а кислотность в диапазоне рН от 2,6 до 6,9 титрационным методом определяется как анацидность (табл. 3.1.). Фракционное аспирационно-титрационное исследование КФЖ в течение 2-х часов с интервалами по 15 минут с учетом базальной и стимулированной фаз секреции позволяет определять объем желудочного сока, общую кислотность, свободную и связанную соляную кислоту. В оценке КФЖ с помощью фракционного исследования ведущее значение имеет определение по специальным формулам часового дебита соляной кислоты в период базальной и стимулированной секреции (табл. 3.2.) (Ивакин В.Т., Кожемякин Л.А., 1974 г.). Однако основной недостаток титрационного метода — низкая чув131

ствительность реактивов-индикаторов и, следовательно, широкий диапазон недостоверных данных — снижают клиническую ценность данного метода. Не нашел широкого применения в клинической практике и метод радиотелеметрической рН-метрии, разработанный в 50-х годах — метод дорогостоящий, не позволяющий иметь информацию о местонахождении, без четких временных данных при прохождении важных отделов ЖКТ и т.д. В настоящее время самое достойное место в клинической практике мировой медицины занял метод электрометрической рН-метрии, позволяющий измерять активность ионов водорода по величине электродвижущей силы специальных электродов, помещенных в раствор. Этот метод дает возможность более физиологично изучать КФЖ как в аспирированном содержимом, так и внутри желудка, что позволило поднять изучение КФЖ на более высокую ступень. Таблица 3.1. Взаимосвязь между титрационными единицами свободной соляной кислоты и величиной рН желудочного сока рН

Примечания

Свободная соляная кислота

1

150

2

10

2,5

1,0

2.6 3 4 5 6 7 8 9 10 и т.д.

0

0

Гиперацидность: рН от 1 до 1,3, свободная соляная кислота от 60 до 150. Нормоцидность: рН от 1,3 до 1,7, свободная соляная кислота от 20 до 60. Гипоацидность: рН от 1,7 до 2,5, свободная соляная кислота от 1 до 20. Анацидность, устанавливаемая титрационным методом.

Анацидность, устанавливаемая электрометрическим методом.

0

Щелочная среда.

Таблица 3.2. Перевод величины рН желудочного сока в концентрацию Н ионов (мэкв/л) (Ивашкин В.Т., Кожемякин Л.А., 1974 г.) +

рН 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

H+, мэкв/л 205 182 162 143 127

рН 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45

H+, мэкв/л 68 64 54 48 43

рН 1,70 1,75 1,80 1,90 2,00

H+, мэкв/л 23 21 18 15 11

рН 2.50 2,60 2,70 2,80 2,90

H+, мэкв/л 3,4 2,7 2,1 1,7 1,4 132

1,05 1,10 1,15 1,20

112 98 88 78

1,50 1,55 1,60 1,65

38 33 29 25

2,10 2,20 2,30 2,40

9.0 7,0 5,4 4,3

3,00 3,50 4,00 5,00

1,0 0,3 0,1 0,01

1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электрометрической рН-метрии (рН-зондирование)

Для исследования кислотопродуцирующей функции желудка и ЖКТ используются рН-метрические зонды (далее просто рН-зонды), имеющие в своем составе измерительные электроды (сурьмяные, стеклянные и т.д.) и электрод сравнения (хлорсеребряный или каломельный). Измерительный электрод в паре с электродом сравнения преобразует физико-химический параметр среды — активность ионов водорода в диапазоне рН от 1,1 до 9,3 — в электрический сигнал. Впервые рН-зонды в 1957 г. были разработаны и созданы в ЛНИИЭКМ профессором Е. Ю. Линаром, а затем в различных модификациях НИИ "Исток", г. Фрязино. В настоящее время разработкой новых моделей зондов и их производством занимается ГНПП "Исток-Система", г. Фрязино. Однако до настоящего времени остается технически неразрешенным вопрос о создании зонда, дающего возможность получения данных о количестве желудочного сока, дебит-часовом его напряжении и его протеолитической активности, что требует введения в рН-зонд второго канала, достаточного для принудительного отсасывания содержимого желудка и других отделов ЖКТ, а в регистрирующей системе дополнительных устройств по автоматическому проведению данной манипуляции. Для электрометрического определения рН необходимы: 1. Активный электрод (измерительный электрод), т.е. электрод, обратимый к ионам водорода измеряемой среды (сурьмяный, стеклянный и т.д.). 2. Вспомогательный электрод (электрод сравнения) — для измерения изменений потенциалов электродов, обратимых к ионам водорода (каломельный, хлорсеребряный). З. Установка для измерения ЭДС и сравнения их с ЭДС вырабатываемых рН-зондом в стандартных буферных растворах. Количество измерительных электродов в одном рН-зонде может варьироваться от 1 до 5 в зависимости от решаемых задач и объема необходимой информации. С помощью внутрижелудочной рН-метрии можно получить сведения об ощелачивающей функции антрального отдела желудка, а применение 3 — 5-ти электродного зонда позволяет получить информацию о наличии или отсутствии дуодено-гастрального или гастроэзофагального рефлюксов. Кроме того, исследование КФЖ с использованием стимуляторов или блокаторов желудочной секреции позволяет более адекватно моделировать индивидуальную лечебную терапию. 133

Важным достоинством внутрижелудочной рН-метрии является возможность индивидуального подбора лекарственных препаратов с учетом их уровней воздействия, эффективность которых оценивается по времени начала ответа рН (время от приема или введения препарата до начала повышения рН), максимальному уровню рН и Δ рН (разница между максимальным и исходным уровнями рН). Кроме этого рассчитываются суммарные показатели — площадь и индекс ощелачивания. 1.3.1. Показания и противопоказания при зондировании

Врачебная этика требует, чтобы проводимое исследование велось в условиях, исключающх влияние отрицательных факторов извне на пациента, в первую очередь, нахождение при процедуре рядом других пациентов (кабинная система). Противопоказания для проведения данной процедуры: • пороки сердца в стадии декомпенсации; • аневризмы больших сосудов; • заболевания ЦНС; • артериальные гипертензии (высокого уровня и нестабильные); • недавние кровотечения из ЖКТ; • кахексия; • острые заболевания ЖКТ. Контроль места расположения измерительных электродов рН-зонда можно осуществлять по характеру показаний измерительного устройства рН, с помощью УЗИ и рентгенологическим методом. Только при правильном расположении измерительных электродов рН-зонда в функциональных зонах ЖКТ можно получить достоверную информацию о функциональном состоянии кислотообразующих желез корпуса желудка и кислотонейтрализующей способности пилорических желез желудка. 1.3.2. рН - метрические зонды

1. Назначение рН-метрические зонды предназначены для измерения активности ионов водорода (кислотности) содержимого верхних отделов желудочнокишечного тракта. Измерение производится в единицах водородного показателя (рН) при помощи одного из выпускаемых ГНПП "Исток-Система" ацидогастрометров (АГМ-01, "Гастротест", "Гастроскан-5" или "Гастроскан24"). Диапазон измерения кислотности для представляемых зондов от 1,3 до 9,3 рН с погрешностью не более чем 0,5 рН. 2. Устройство зондов 134

Зонд состоит из: • резиновой или полимерной трубки длиной около 1,5—2 м, образующей рабочую часть зонда, внутри которой проходят электрические провода и может проходить канал для ввода лекарственных препаратов; • измерительных электродов, размещенных на трубке на некотором расстоянии друг от друга; • электрода сравнения, каломельного или хлорсеребряного; • разъема для подключения к измерительному блоку ацидогастрометра. Электрод сравнения расположен либо на дистальном конце трубки, либо выполнен в виде выносной капсулы или диска, подсоединенных к отдельному электродному проводу. При обследовании пациента выносной электрод сравнения размещается либо за щекой пациента (если он выполнен в виде выносной капсулы), либо закрепляется на коже в подключичной области или на запястье лейкопластырем или специальным ремнем (если он выполнен в виде выносного диска). Как правило, зонды с каломельным электродом сравнения изготавливаются с использованием резиновой трубки оранжевого цвета, а зонды с хлорсеребряным электродом сравнения изготавливаются с использованием белой или прозрачной трубки из медицинского пластиката. Зонды с защечным электродом сравнения изготавливаются с использованием тонкой пластиковой трубки и используются только для измерения пристеночной кислотности при проведении эндоскопических исследований желудочнокишечного тракта. Дистальный электрод сравнения Корпус этого электрода выполнен из керамики и закреплен на конце трубки. В торце корпуса имеется микроскопическое отверстие, которое невооруженным глазом, как правило, не видно. Оно обеспечивает гальваническую связь между исследуемой средой и электродом. Внутри корпуса сформирована структура Hg/Hg2Cl2/KCI (у каломельных электродов) или Ag/AgCI/KCI (у хлорсеребряных электродов), включающая в себя, в частности, хлористый калий в виде влажной кашицеобразной соли. Такие электроы весьма чувствительны к ударам и вибрациям. Защечный электрод сравнения Защечный электрод сравнения устроен практически так же, как и дистальный. Разница лишь в том, что он не приклеен к концу трубки, как дистальный, а закреплен на отдельном электродном проводе и во время обследования пациента размещается за его щекой. Накожный хлорсеребряный электрод сравнения Накожный хлорсеребряный электрод сравнения выполнен в виде диска, закрепляемого во время обследования пациента на запястье или в подключичной области пластырем или специальным ремнем. Электрод имеет резьбовой вывод, который служит для подсоединения к электродному проводу зонда. Возможен вариант исполнения, когда электрод припаян к элек135

тродному проводу. В углублении электрода находится площадка из хлористого серебра, контакт которой с кожей осуществляется через поролоновую прокладку, пропитанную электродной пастой. Измерительные электроды Измерительные электроды выполнены из сурьмы (довольно хрупкого металла) в виде цилиндрических колец или цилиндрических столбиков. 3. Виды исполнения рН-метрических зондов а) рН-метрические зонды для исследования базальной и стимулированной желудочной секреции (пероральные): Таблица 3.3. Зонды с каломельным дистальным электродом сравнения Тип Возраст зонда пациента, лет 05 03 Д1 Д2 ДЗ Д4 02

Кол-во Расст. между измер. Наружн. измер. Электродами, мм диаметр, электродов 1-м и 2- 2-м и 3- мм, не более м м

старше 15 старше 15 от 1 до 6 от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14 старше 15.

5 3 3 3 3 3 2

50 120 50 70 90 110 120

120 120 50 70 90 120 —

7 7 4 4 4 4 7

Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда 05 составляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с каломельным дистальным электродом сравнения используется, как правило, оранжевая резиновая трубка. Зонды 05, 03 и 02 снабжены каналом для введения лекарственных препаратов. Таблица 3.4. Зонды с хлорсеребряным дистальным электродом сравнения Тип зонда

Г5П ГЗ ГЗ-Д1 Г-Д2 ГЗ-ДЗ Г-Д4 ГЗП ГЗП-Д1

Возраст та,лет

старше 15 старше 15 от 1до 6 от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14 старше 15 от 1 до 6

пациен-

Кол- Расст.между во из- измер. элекмер. тродами, мм элек1-м 2-м и тродов и 2-м 3-м 5 50 120 3 120 120 3 50 50 3 70 70 3 90 90 3 110 110 3 120 120 3 50 50

Наружн. диаметр, мм, не более 5 4 4 4 4 4 5 5 136

ГЗП-Д2 ГЗП-ДЗ ГЗП-Д4

от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14

3 3 3

70 90 110

70 90 110

5 5 5

Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда Г5П составляет 120 мм, между 4 и 5—50мм. Таблица 3.5. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Тип зонда

ГА-5 ГА-3 ГА-3-Д1 ГА-3-Д2 ГА-З-ДЗ ГА-3-Д4

Возраст пациента, Кол- Расст.между НаЛет во из- изружн. мер. мер.электродам диаметр, элект- и, мм мм,не родов 1-м и 2-м и более 2-м 3-м старше 15 5 50 120 5 старше 15 3 120 120 5 от 1 до 6 3 50 50 5 от 7 до 11 3 70 70 5 от 12 до 14 3 90 90 5 старше 14 3 110 110 5

Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда ГА-5 составляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с хлорсеребряным электродом сравнения используется, как правило, мягкая прозрачная пластиковая трубка. Возможен вариант изготовления из более жесткой белой рентгеноконтрастной трубки. Двухэлектродные зонды могут применяться с ацидогастрометрами "Гастроскан-5", АГМ-01 и АГМИ-01 (терапевтическое исполнение). б) рН-метрические зонды для проведения пристеночной рН-метрии во время эндоскопического исследования верхних отделов желудочнокишечного тракта (вводятся через инструментальный канал эндоскопа): Таблица 3.6. Эндоскопические зонды Тип зонда

Э Э1 Г1 Г1-Д ГА-1 ГА1-Д

Количество Наружный диаизмерительметр, мм, не более ных электродов 1 2,4 1 1,8 1 2,4 1 1,8 1 2,4 1 1,8

У зондов Э, Э1, Г1, Г1-Д электрод сравнения выполнен в виде отдельной капсулы, размещаемой во время исследования за щекой пациента, у зон137

дов ГА-1 и ГА-Д1 — в виде накожно закрепляемого диска. Зонды, имеющие в своем обозначении букву Г, снабжены хлорсеребряным электродом сравнения, Э и Э1— каломельным. в) рН-метрические зонды для суточного мониторирования (трансназальные) Таблица 3.7. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Тип зонда

ГА-24-3 ГА-24-3-Д1 ГА-24-3-Д2 ГА-24-3-ДЗ ГА-24-3-Д4

Возраст пациен- Кол. из- Расст.междуизм Наружн. та, лет мер. ер. электродами, диаметр, электмм мм, родов 1-м и 2-м и не более 2-м' 3-м старше 15 3 120 120 2 от 1 до 6 3 50 50 2 от 7 до 11 3 70 70 2 от 12 до 14 3 90 90 2 старше 14 3 110 110 2

Все зонды допускают стерилизацию в 6% растворе перекиси водорода. 1.4. Регистрирующие приборы для рН-метрии Первые регистрирующие приборы со стрелочной индикацией для проведения рН-метрии были разработаны под руководством профессора Линара Е.Ю. в лаборатории патофизиологии желудка ЛНИИЭКМ в 50-х годах, и в 70-х годах в НИИТОП в г. Горьком (Эрдели В.В.). Одновременно могли обследоваться до 7 пациентов». Временной интервал регистрации параметров КФЖ задавался автоматически. В дальнейшем разработки регистрирующих рН-метрических приборов были начаты в НИИ "Исток" и продолжаются в ГНПП "Исток-Система" (г.Фрязино, Московской обл.). Здесь были разработаны и внедрены в клиническую практику ацидогастрометры АГМ-01, "Гастротест". Приборы сертифицированы Минздравом и Госстандартом России. Наиболее совершенными приборами из выпускаемых в настоящее время ГНПП “Исток-Система” являются компьютерные системы "Гастроскан-5" и "Гастроскан-24". Системы разработаны совместно с Российским государственным медицинским университетом им. Н.И. Пирогова и предназначены для проведения гастроэнтерологического обследования одновременно до 5 пациентов путем перорального введения многодатчикового рН-метрического зонда и непрерывной регистрации изменения кислотности (величины рН). Диапазон измерения рН от 1,0 до 9,3. Врач может расположить датчики зонда в пищеводе, желудке и двенадцатиперстной кишке. Контроль местоположения датчиков можно проводить под рентгеном или с помощью УЗИ. Информация от датчиков непрерывно анализируется и отображается на дисплее в цифровом и графическом виде. На дисплее также даются подсказки медицинскому персоналу по методике 138

проводимого обследования и работе с компьютером. Обследование по стандартной методике, разработанной в РГМУ, занимает 1,5 — 2 часа и состоит из исследования базальной и стимулированной секреции и проведения щелочных тестов на их фоне. После этого выдаются заключение о состоянии желудочно-кишечного тракта и рекомендации по медикаментозному лечению. Все результаты обследования сохраняются в базе данных и могут быть распечатаны на принтере. Подводя итоги можно сделать следующие выводы: В настоящее время внутрижелудочная рН-метрия играет значительную роль в диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта, а в некоторых случаях является единственным способом измерения для получения исчерпывающей информации о состоянии ЖКТ пациента; Номенклатура предлагаемой техники для измерения рН постоянно увеличивается, что является одной из причин упрочнения позиций электрометрической рН-метрии в медицинской практике; Лидером по производству ацидогастрометров (рН-метров) в России является ГНПП ”Исток-Система”, наиболее совершенными, из выпускаемых ими в настоящее время, приборами являются “Гастроскан-5” и ”Гастроскан24” с компьютерной системой управления и программным обеспечением; При всех плюсах существующей ныне техники для измерения рН, проблема оснащения медицинских учреждений этими приборами стоит достаточно остро вследствие их дороговизны, поэтому возникла необходимость создания более дешевого прибора, не уступающего (по техниконадежностным показателям) существующим аналогам. 2. Гемодиализатор

Множество причин, например почечная инфекция или деструктивный процесс при заболеваниях типа сахарного диабета, может привести к нарушениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хронической почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азотистых шлаков в крови, в первую очередь мочевины. В связи с этим для поддержание жизни больного применяют различные методы искусственного очищения крови, используя аппарат “искусственная почка”. Методы искусственного очищения крови используются совсем недавно, но внедрение их в современную медицину имеет поистине революционное значение. В силу того, что большинство заболеваний, такие как хроническая почечная недостаточность (ХПН), острая почечная недостаточность (ОПН), своей причиной или следствием имеют интоксикацию. Поэтому задача создание аппарата “искусственная почка” (гемодиализатора) предназначенного для проведения как постоянных, так и периодических замен функции почек в организме актуальна. Эта задача является актуальной и для нашей страны. Ведущее положение при разработке аппаратов “искусственная почка” 139

для проведения гемодиализа или любого другого экстракорпорального метода лечения, занимает Германия; - Наиболее активно разработками занимаются Франция, Россия, США, Швеция; - В России наиболее активно занимаются данными разработками в Москве ЗАО “ВНИИМП – ВИТА”, Санкт-Петербурге. - Ведущими зарубежными производителями аппаратов для проведения гемодиализа являются фирмы: “Fresenius”, “B. Braun” (Германия), “Gambro” (Швеция), “Bellco” (Италия), “Hospal” (Франция), “Althin” (США) и др. Для сбора и обработки информации поступающей с датчиков (преобразователей) в настоящее время широко используются цифровые методы. Этому способствует следующие достоинства цифровых измерительных устройств: 9 высокая разрешающая способность, открывающая широкие возможности повышения точности; 9 выдача результатов в кодированной цифровой форме для обработки и управления с применением ЭВМ; 9 возможность передачи результатов измерений без потери информации; 9 возможность использования новейших достижений технологии: интегральных схем печатного монтажа и др., что позволяет сохранить высокий уровень надежности при большой функциональной сложности, уменьшить габаритные размеры и стоимость аппаратуры; 9 возможность автоматической калибровки и автоматического ведения поправок с целью уменьшения систематической погрешности; 9 высокое быстродействие, соответствующе современным скоростям автоматической обработки результатов измерения; 9 удобство отсчета и регистрации результатов измерений; 9 возможность полной автоматизации процесса измерений 9 высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям. Выполнение цифровых устройств на современном уровне требует, как правило, использования микропроцессорных комплектов и интегральных схем. Использование ЭВМ в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей точности и эффективности. 2.1. Анализ проблем и задач при проектировании аппарата для проведения гемодиализа 2.1.1. Исследование объекта лечения

ПОЧКИ - важнейшие парные органы выделения позвоночных животных и человека. Почки участвуют в водно-солевом гомеостазе, т. е. в поддержа140

нии постоянства концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды, постоянства объёма этих жидкостей, их ионного состава и кистлотно-щелочного равновесия. Через почки выводятся из организма конечные продукты азотистого обмена, чужеродные и токсические соединения, избыток органических и неорганических веществ. Почки участвуют в метаболизме углеводов и белков, в образовании биологически активных веществ, регулирующих уровень артериального давления, скорость секреции альдостерона надпочечниками и скорость образования эритроцитов. Основные функции почек (экскреторная, осморегулирующая, ионорегулирующая и др.) обеспечиваются процессами, лежащими в основе мочеобразования: ультрафильтрацией жидкости и растворённых веществ из крови в клубочках, обратным всасыванием частиц этих веществ в кровь и секрецией некоторых веществ из крови. У млекопитающих важнейшим из таких продуктов является мочевина – основной конечный азотсодержащий продукт распада белков (белкового метаболизма). У птиц и рептилий основной конечный продукт белкового обмена – мочевая кислота, нерастворимое вещество, имеющее вид белой массы в экскрементах. У человека мочевая кислота тоже образуется и выводится почками (ее соли называются уратами). Почки человека выделяют около 1–1,5 л мочи в сутки, хотя эта величина может сильно варьировать. На увеличение потребления воды почки отвечают увеличением продукции более разбавленной мочи, тем самым, поддерживая нормальное содержание воды в организме. Если потребление воды ограничено, почки способствуют сохранению ее в организме, используя для образования мочи как можно меньше воды. Объем мочи может уменьшиться до 300 мл в день, а концентрация выводимых продуктов будет соответственно выше. Объем мочи регулируется антидиуретическим гормоном (АДГ), называемым также вазопрессином. Этот гормон секретируется задней доли гипофиза (железы, расположенной в основании мозга). Если организму необходимо сохранить воду, секреция АДГ возрастает и объем мочи уменьшается. Наоборот, при избытке воды в организме АДГ не выделяется и суточный объем мочи может достигнуть 20 л. Выведение мочи, однако, не превышает 1 л в час. Образование мочи. В почечном клубочке вода и растворенные в ней вещества под действием артериального давления выходят из крови через стенки капилляров. Поры капилляров настолько малы, что задерживают кровяные клетки и белки. Следовательно, клубочек работает как фильтр, пропускающий жидкость без белков, но со всеми растворенными в ней веществами. Эта жидкость называется ультрафильтратом, клубочковым фильтратом, или первичной мочой; она подвергается обработке, проходя через остальные части нефрона. В человеческой почке объем ультрафильтрата составляет около 130 мл в минуту или 8 л в час. Поскольку общий объем крови у человека равен приблизительно 5 литрам, очевидно, что большая часть ультрафильтрата должна всосаться обратно в кровь. Если предположить, что в организме образуется 1 141

мл мочи в минуту, то оставшиеся 129 мл (больше 99%) воды из ультрафильтрата необходимо вернуть в кровоток, пока они не стали мочой и не выведены из организма. Ультрафильтрат содержит много ценных веществ (соли, глюкозу, аминокислоты, витамины и проч.), которые организм не может терять в значительных количествах. Большинство из них подвергается обратному всасыванию (реабсорбции) по мере того, как фильтрат проходит по проксимальным канальцам нефрона. Глюкоза, например, реабсорбируется до тех пор, пока полностью не исчезнет из фильтрата, т.е. пока ее концентрация не приблизится к нулю. Поскольку перенос глюкозы обратно в кровь, где ее концентрация выше, идет против градиента концентрации, процесс требует дополнительной энергии и называется активным транспортом. В результате обратного всасывания глюкозы и солей из ультрафильтрата концентрация растворенных в нем веществ падает. Кровь оказывается более концентрированным раствором, чем фильтрат, и «притягивает» воду из канальцев, т.е. вода пассивно следует за активно транспортируемыми солями. Это называется пассивным транспортом. С помощью активного и пассивного транспорта 7/8 воды и растворенных в ней веществ из содержимого проксимальных канальцев всасываются обратно, причем скорость уменьшения объема фильтрата достигает 1 л в час. Теперь во внутриканальцевой жидкости содержатся в основном «шлаки», такие, как мочевина, но процесс образования мочи еще не окончен. Следующий сегмент, петля Генле, отвечает за создание очень высоких концентраций солей и мочевины в фильтрате. В восходящем отделе петли происходит активный транспорт растворенных веществ, в первую очередь солей, в окружающую тканевую жидкость мозгового вещества, где в результате создается высокая концентрация солей; благодаря этому из нисходящего колена петли (проницаемого для воды) часть воды отсасывается и сразу поступает в капилляры, тогда как соли постепенно диффундируют в него, достигая наибольшей концентрации в изгибе петли. Этот механизм называется противоточным концентрирующим механизмом. Затем фильтрат поступает в дистальные канальцы, где за счет активного транспорта в него могут перейти и другие вещества. Наконец, фильтрат попадает в собирательные трубочки. Здесь определяется, какое количество жидкости будет дополнительно выведено из фильтрата, а стало быть, и каков будет окончательный объем мочи, т.е. объем конечной, или вторичной, мочи. Данный этап регулируется наличием или отсутствием АДГ в крови. Собирательные трубочки находятся между многочисленными петлями Генле и идут параллельно им. Под действием АДГ их стенки становятся проницаемыми для воды. Поскольку концентрация солей в петле Генле очень высока, а вода имеет тенденцию следовать за солями, она фактически вытягивается из собирательных трубочек, оставляя раствор с высокой концентрацией солей, мочевины и других растворенных веществ. Этот раствор и есть конечная моча. Если АДГ в крови отсутствует, то собирательные трубочки остаются малопроницаемыми для воды, вода из них не выходит, объем 142

мочи остается большим, и она оказывается разведенной. 2.1.2. Основные заболевания почек

Почечные камни – это отложения солей в почках, образующиеся при высокой концентрации солей в моче или повышении кислотности мочи, т.е. в условиях, способствующих кристаллизации солей. Основные типы камней – оксалаты, фосфаты либо ураты. Мелкие камни (песок) выходят через мочеточники, почти не причиняя вреда. Более крупные могут застревать в мочеточниках, что сопровождается мучительными болями (почечными коликами). Еще более крупные камни остаются в лоханках, вызывая боль, инфицирование и нарушение функции почек. Потребление большого количества воды снижает вероятность образования камней. Почечные камни удаляют хирургическим путем или методом литотрипсии (применением ультразвуковых волн для раздробления камней на мелкие фрагменты, которые могут быть выведены через мочеточники). Этот метод не наносит ущерба мягким тканям почек. Почечная недостаточность и гемодиализ. Множество причин, например почечная инфекция или деструктивный процесс при заболеваниях типа сахарного диабета, может привести к нарушениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хронической почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азотистых шлаков в крови, в первую очередь мочевины. Содержание мочевины в крови является важным клиническим параметром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мочевины лежит в интервале 3,6 – 8,9 мМ. Страдающих хронической почечной недостаточностью удается лечить с помощью пересадки почки – сложного хирургического вмешательства, для которого необходимо иметь в распоряжении подходящий донорский материал. После операции проводится длительная иммунодепрессивная терапия, снижающая вероятность отторжения трансплантанта. Однако чаще больных с почечной недостаточностью поддерживают с помощью гемодиализа (искусственной почки). Его принцип заключается в том, что кровь из артерии (обычно из предплечья) проходит через аппарат искусственной почки и возвращается в вену больного. В приборе кровь протекает через микроскопические канальцы, окруженные тонкой пластиковой мембраной. С другой стороны мембраны находится диализная жидкость. Если бы вместо диализной жидкости канальцы окружала вода, то все растворенные в крови вещества – соли, сахар и другие – вымывались бы из плазмы крови, т.е. выходили бы через мембрану в воду. Чтобы избежать этого, в качестве диализной жидкости берут раствор, содержащий те же компоненты и в тех же концентрациях, что и плазма крови, однако вещества, подлежащие удалению из плазмы (например, мочевина), в диализной жидкости отсутствуют. Во время гемодиализа эти вещества выходят из плазмы, так что в вену больного возвращается очищенная кровь. Гемодиализ можно проводить го143

дами. Регулярно посещая диализный центр, пациенты продолжают вести нормальную жизнь. 2.2. Методы искусственного очищения крови. Основные понятия

Если сравнивать с гемотерапией, то методы искусственного очищения крови используются совсем недавно, но внедрение их в современную медицину имеет поистине революционное значение. В силу того, что большинство заболеваний своей причиной или следствием имеют интоксикацию (эндогенную или экзогенную), становится очевидным, какое широкое распространение данное направление терапии должно получить. Все лечебные мероприятия, конечной целью которых является прекращение действия токсинов и их элиминация из организма, объединяются в группу методов активной экстракорпоральной детоксикации организма. Эти методы позволяют моделировать вне и внутри организма некоторые естественные процессы его очищения или являются существенным к ним дополнением, что в случае повреждения выделительных органов и нарушения их детоксикационной функции дает возможность временного ее замещения. Эти методы по принципу их действия подразделяют на три группы: • методы усиления естественных процессов очищения организма; • методы искусственной детоксикации; • методы антидотной (фармакологической) детоксикации. Далее будут рассмотрены методы искусственной детоксикации и, отчасти, методы усиления естественных процессов очищения организма. Большинство методов искусственной детоксикации организма основано на использовании 3-х процессов: разведения, диализа и сорбции. Под разведением понимают процесс разбавления биологической жидкости, в которой содержатся токсины, другой биологической жидкостью или искусственной средой с целью снижения концентрации токсинов и элиминации их из организма. Диализ известен "избирательная диффузия". Диффузия - это перемещение веществ от высокой концентрации к более низкой сквозь полупроницаемую мембрану. Избирательная диффузия - это диффузия, в процессе которой, в зависимости от мембраны, некоторые вещества будут проникать сквозь мембрану, а некоторые - нет. Под диализом подразумевается процесс удаления низкомолекулярных веществ, который основан на свойстве полупроницаемых мембран пропускать частицы и ионы размером до 500 А, и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы. В данном процессе работают два раствора - диализируемый и диализирующий (растворитель). Работы Томаса Грахама с растительным пергаментом свидетельствуют, что последний действует как полупроводящая мембрана. Позже Грахам назвал это открытие "диализом", что в переводе с греческого значит "проникновение". В качестве мембран обычно используют: естественные мембраны (серозные оболочки): искусственные мембраны (целлофан и др.). 144

Первоначально диализаторы состояли из целлюлозной трубки, обернутой вокруг небольшого барабана. Барабан частично погружался в ёмкость с диализатом. Диализат обычно состоял только из физиологического раствора поваренной соли. Когда барабан вращался, происходила диффузия веществ из крови в диализат и наоборот (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Диализатор из целлюлозной трубки. С развитием новых технологий диализаторы и аппаратура совершенствуются. Начали использовать насосы для перфузии крови и диализата. Давление на входе в диализатор и его выходе контролируется и поддерживается с использованием микропроцессоров и датчиков. Для подсоединения крови и диализата к диализатору используют высокотехнологичные синтетические магистрали. Диализат - это одна из двух жидкостей, участвующих в процессе диализа. Другой жидкостью является кровь. Термин "диализат" заимствован из физической химии и относится к жидкостям и растворам, проходящим сквозь полупроницаемую мембрану. Диализат состоит не только из физиологического раствора хлорида натрия, как это было прежде, но и бикарбоната или ацетата натрия, хлорида кальция, калия и магния. Может быть добавлена глюкоза. Главная функция диализата - удалять вредные вещества из крови и сохранять полезные в крови. Благодаря некоторым добавкам в диализат, можно контролировать уровень электролитов и воды в плазме крови. Приборы, работающие с использованием мембран, называются диализаторами. Существует две разновидности диализаторов. Пластинчатые, с плоско параллельным потоком и диализаторы из полых волокон (капиллярные). Пластинчатые диализаторы Этот тип диализаторов назван пластинчатым по очевидной причине. Вместо классической вращающейся барабанной системы здесь используется несколько параллельных пластин с рёбрами и складками в них. Диализат течёт вдоль этих рёбер и складок. Полупроницаемая мембрана покоится между рёбрами и потоком крови. У таких диализаторов сопротивление потоку крови невелико. Некоторые преимущества в использовании этого типа диализаторов давало их низкое сопротивление потоку крови. Благодаря этому факту была снижена необходимость в применении раствора, препятствующего свертыванию крови. Другое преимущество этих диализаторов в том, что их 145

уровень фильтрации легко контролируется и предсказуем. Ещё одним плюсом является то, что количество крови внутри диализатора сравнительно невелико. Диализатор тем лучше, чем меньшее объём его заполнения кровью. Окончательное преимущества пластинчатого диализатора - его дешевизна. Диализаторы из полых волокон Этот тип диализаторов наиболее распространен. В них используется противоток жидкости. Кровь и диализат текут в противоположных направлениях. Метод параллельного потока не так эффективен, но более деликатен. Это позволяет применять его в педиатрической практике, а также для первичных пациентов. Диализаторы из полых волокон могут быть различных размеров. Они представляют собой цилиндр, наполненный тысячами тонких волокон (рис. 3.2). Кровь, попадая в диализатор с одного конца, проходит сквозь эти тысячи волокон. В тоже время диализат подаётся с противоположного конца цилиндра навстречу крови. Этот метод сохраняет диализат свежим при постоянной циркуляции.

Рис. 3.2. Капиллярный диализатор. Современные диализаторы оснащаются высокопроницаемой мембраной, поэтому их можно использовать для осуществления ультрафильтрации и гемофильтрации (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Диализаторы (внешний вид). Под сорбцией имеется ввиду процесс поглощения молекул газов, паров и растворов поверхностью твердого тела или жидкости. Таким образом, в процессе сорбции задействовано два компонента - адсорбент, т.е. поглощающее вещество, и адсорбтив (адсорбат), т.е. поглощае146

мое вещество. 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксикации

Выше говорилось об основных группах методов экстракорпоральной детоксикации. В классификации А.М. Сазонова, Л.А. Эндера подробно рассматриваются два из них. 1.Методы усиления естественных детоксикационных систем: а) инфузионная терапия; б) гемодилюция; в) форсированный диурез. 2.Методы искусственной детоксикации: а) гемодиализ; б) перитонеальный диализ; в) перекрестное кровообращение; г) обменное переливание крови; д) детоксикационная лимфорея и лимфосорбция; е) плазмаферез; ж) экстракорпоральное подключение гетерогенных органов; з) гемосорбция. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации

На основании указанной выше классификации рассмотрим основные методы экстракорпоральной детоксикации. ƒ Инфузионная терапия Задача инфузионных средств - связывание и нейтрализация токсических веществ. Одним из наиболее эффективных средств детоксикации является сывороточный альбумин, выпускаемый в виде 5, 10, 20% раствора. Он обладает значительным онкотическим давлением и способствует переходу жидкости в сосудистое русло из внесосудистых пространств, что приводит к снижению концентрации токсических веществ и уменьшению отека тканей. Также важным свойством альбумина является способность образовывать с токсическими веществами комплексные физиологически неактивные соединения. ƒ Гемодилюция Гемодилюция, или управляемое разбавление крови, улучшает реологические свойства крови, способствует нормализации гемодинамики за счет увеличения объема циркулирующей плазмы, снижает травматизацию форменных элементов крови, предупреждает агрегацию эритроцитов. Детоксикационный эффект гемодилюции обусловлен снижением концентрации токсических веществ за счет их разведения, улучшением перфузии тканей и элиминации токсических веществ благодаря интенсификации микроциркуля147

торных процессов. В качестве дилюентов используются плазмозамещающие растворы как с направленным детоксикационным, так и с гемодинамическим действием: альбумин, протеин, раствор Рингера, желатиноль, гемодез, реополиглюкин и т.д. ƒ Форсированный диурез Метод форсированного диуреза основан на усилении мочевыводящей функции почек и поддержании водно-электролитного баланса. Он включает три этапа: предварительной водной нагрузки: введения диуретических веществ: коррекции электролитного состава. В сосудистое русло вводят кристаллоиды: 5% глюкозу. изотонический раствор NaCl, раствор Рингера, солевые растворы, далее диуретические вещества: маннит из расчета 1 г/кг, лазикс 40-60 мг. Такая методика позволяет добиться устойчивого диуреза в количестве 2,5-5,0 л в сутки, что в значительной степени способствует снижению интоксикации. Противопоказаниями к проведению форсированного диуреза являются внеклеточная дегидратация, застой в малом круге кровообращения, отек легких на фоне нарушения гемоциркуляции. ƒ Энтеросорбция Исследования показали, что при гнойно-воспалительных заболеваниях имеет место сброс бактериальных токсинов из крови в желудочно-кишечный тракт, что определяет целесообразность широкого применения энтеросорбции как метода общей детоксикации организма. Энтеросорбция не оказывает побочного неблагоприятного влияния на иммунитет, а, напротив, способствует устранению вторичного иммунодефицитного состояния, снижая иммунодепрессивное действие эндогенных токсинов. В настоящее время при интенсивной терапии острой почечной недостаточности применяется метод энтеросорбции билигнином. Это препарат растительного происхождения, полученный из отходов древесины. При хорошей эвакуаторной функции желудочно-кишечного тракта его назначают по 5 г 3-4 раза в день. Суточная доза 15-20 г. ƒ Перитонеальный диализ Для уменьшения микробного загрязнения брюшной полости в ряде случаев требуется промывание ее диализирующим раствором. Используется несколько способов промывания брюшной полости. При проточном промывании диализирующий раствор с антибиотиками вливают непрерывно, со скоростью 60-80 капель в минуту. В первые сутки вводят 7-9 л раствора в один-два приводящих дренажа, установленных в верхних этажах брюшной полости. Во вторые сутки вливают 6-7 л. Продолжительность проведения диализа 3-5 сут. При фракционном методе в брюшную полость по верхним дренажам вводят 2-2,5 л жидкости, при этом нижние дренажи зажимаются на 2-3 ч. В течение суток процедуру повторяют 4-8 раз. Экспозиция должна быть достаточной для процесса обмена электролитами между кровью и диализирующим 148

раствором. ƒ Перекрестное кровообращение Впервые подключение кровообращения больного к кровообращению донора с целью очищения крови реципиента от токсических продуктов здоровой печенью было применено для лечения печеночной комы (I.Y. Burnet, 1966). Однако при первых попытках использования перекрестного кровообращения как у реципиентов, так и у доноров возникали тяжелые реакции, обусловленные иммунологической несовместимостью. В связи с этим было предложено использовать для перекрестного кровообращения при лечении острой печеночной недостаточности обезьян бабуинов, после предварительного отмывания их сосудистого русла от собственной крови. Клиническое исследование такого метода (Hume М., 1969) позволяет считать его достаточно физиологичным и в определенных условиях перспективным. ƒ Обменное переливание крови Благоприятное воздействие обменного переливания крови объясняется удалением из организма вместе с кровью циркулирующих в ней токсинов. Для полного замещения крови пациента кровью донора необходимо 1015 л крови. При массивном переливании донорской крови возможны осложнения и в первую очередь связанные с развитием иммунологического конфликта. Обменное замещение крови получило дальнейшее развитие в связи с расширением использования искусственного кровообращения и гипотермии. Сущность метода заключается в том, что после перфузионного охлаждения организма до +20...+22°С проводят полное одномоментное замещение всей массы циркулирующей крови. Метод получил название "total body washout". Преимущество описанного метода состоит в том, что при использовании минимального количества донорской крови можно полностью удалить токсины из циркулирующей крови. Использование искусственного кровообращения оказывает гемодинамический, а гипотермия проявляет свой антитоксический эффект. ƒ Гемосорбция Гемосорбция (от гемо... и латинского sorbeo - поглощаю), метод внепочечного очищения крови от токсических веществ путем прокачивания ее через колонку с сорбентом (активный уголь, ионообменные смолы) вне организма. Применяют при острых отравлениях, поражениях печени с выраженной интоксикацией и др. Механизм действия гемосорбции принципиально отличается от других методов лечения. Метод основан на двух свойствах сорбента: 9 адсорбции (фиксация молекулы вещества на поверхности поглотителя); 9 абсорбции (фиксация вещества в объеме поглотителя). Фиксация химических агентов происходит за счет образования ковалентных или ионных связей вещества с активными группами поглотителя. 149

Для гемосорбции используются сорбенты двух классов: неселективные, поглощающие из крови несколько веществ, и селективные, извлекающие вещества определенной структуры. К первой группе относятся активированные угли, на поверхности которых собираются индолы, скатолы, гуанидиновые основания, жирные кислоты, билирубин, органические кислоты и т.д. К селективным сорбентам относятся ионообменные смолы, способные удалять из организма ионы калия, аммоний, гаптоглобин, билирубин. Гемосорбция проводится на специальных аппаратах АЭГ-01-4: УАГ-01; УЭГ-1, чаще в реанимационных палатах или отделениях по определённой методике. Общее понятие об этом методе состоит в введении в кровеносные сосуды специальных игл или сосудов, соединённых с аппаратом для гемосорбции. Проведённые наблюдения московских, днепропетровских и минских учёных показали высокую эффективность гемосорбции. Наблюдения ряда авторов показывают, что применение сорбционной терапии, как одного из нелекарственных методов лечения, является перспективным направлением с целью стимуляции систем естественной защиты и физиологической регуляции организма. ƒ Плазмаферез Принцип плазмафереза заключается в заборе от больного определенного количества крови, выделение из него клеточных элементов (сепарация), затем введение этих клеточных элементов обратно в кровь, но без плазмы. Метод позволяет в течение 1-3 часов заменить не менее одного-двух объемов плазмы (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема проведения плазмафереза (Plasma exchange). К помощи плазмафереза прибегают для уменьшения в плазме концентрации белков, липидов, гормонов, токсинов, антигенов, антител, иммунных комплексов. Показания к проведению плазмафереза постоянно увеличиваются. В то же время эффективность метода доказана при нескольких синдромах или нозологических формах. Это синдром повышенной вязкости крови, синдром Гудпасчера, тромбоцитопеническая пурпура, иммунокомплексные вас150

кулиты, быстропрогрессирующий гломерулонефрит. Механизм плазмафереза складывается из двух основных факторов: 9 механическое удаление из организма вместе с плазмой токсических продуктов; 9 возмещение утраченных или недостающих жизненных компонентов внутренней среды организма путем переливания свежей донорской плазмы. В настоящее время существует несколько методик проведения плазмафереза. 1. Ручной метод. Суть его заключается в отстаивании крови во флаконах с гемоконсервантом с последующим удалением плазмы и возвращением эритроцитарной массы больному. 2. Метод прерывного плазмафереза. Кровь больного собирается в пластиковые контейнеры с гемоконсервантом далее центрифугируется, полученная плазма удаляется, а клеточные субстанции возвращаются в сосудистое русло. 3. В 60-е годы была создана модель фракционатора клеток, в котором путем центрифугирования кровь разделяется на плазму и клеточные элементы. Процесс разделения крови осуществляется в специальном роторе, из которого фракции крови удаляются с помощью роликовых насосов. 4. Особым методом плазмафереза является фильтрационный, при котором разделение крови происходит в процессе фильтрации через специальные мембраны или волокнистые фильтры. ƒ Лимфорея и лимфосорбция Детоксикационная лимфорея - метод, предполагающий нарушение отведения лимфы путем дренирования грудного лимфатического протока. При этом вместе с лимфой удаляются токсические метаболиты. Возмещение потери лимфы, достигающее 5 л/сут, проводят путем внутривенного введения соответствующего количества плазмозамещающих растворов. Недостатком метода является то, что вместе с токсическими продуктами удаляются ценные для организма вещества: белки, жиры, электролиты, ферменты, лимфоциты. Исходя из этого разработан и внедрен в практику метод очищения лимфы путем сорбции. ƒ Гемодиализ (ГД) Принцип гемодиализа основан на явлении избирательной диффузии через полупроницаемую мембрану, которая с одной стороны омывается кровью, а с другой стороны - диализирующим раствором (ДР) (рис. 3.5).

151

Рис. 3.5. Диаграмма процесса гемодиализа. Под воздействием концентрационного градиента через полупроницаемую мембрану проходят низко- и среднемолекулярные вещества. Мембрана не пропускает высокомолекулярные вещества - белки. ƒ Ультрафильтрация (УФ) Перемещение воды из крови в диализат через полупроницаемую мембрану называется ультрафильтрацией (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Диаграмма процесса ультрафильтрации. Скорость ультрафильтрации определяется изменением давления в полости диализатора за счет создания вакуума с одной стороны диализирующей мембраны. Скорость ультрафильтрации подбирается индивидуально и может составлять от 100 до 300 мл/ч при расходе диализата до 300-500 мл/мин. Процедура проводится без использования замещающей жидкости. ƒ Гемофильтрация (ГФ) Гемофильтрация (греч. haima кровь + лат. filtratio процеживание) - метод очищения крови посредством ее фильтрации через искусственные высокопроницаемые мембраны с одновременным замещением удаляемого фильтрата специальным раствором (рис. 3.7). В отличие от гемодиализа очищение крови при гемофильтрации осуществляется благодаря конвекционному пе152

ремещению растворенных в плазме веществ через полупроницаемую мембрану под действием трансмембранного давления, подобно тому, как это происходит в почечных клубочках. Гемофильтрация применяется при лечении тяжелой ОПН и ХПН, выраженной гипергидратации, некоторых отравлений. Интермиттирующая гемофильтрация - основной способ применения этого метода в условиях стационара.

Рис. 3.7. Диаграмма процесса гемофильтрации. Постоянную гемофильтрацию предпочтительно проводить у неподвижных больных с полиорганной патологией, составляющих контингент реанимационных отделений, а также при массовом поражении, когда возрастает потребность в стационарном оборудовании, или на этапе неспециализированной больничной помощи. Противопоказаниями для применения гемофильтрации являются некорригируемая артериальная гипотензия, продолжающееся кровотечение, геморрагический инсульт. По молекулярному спектру удаляемых веществ гемофильтрация близка к естественному почечному очищению. В отличие от гемодиализа при гемофильтрации хорошо удаляются уремические токсины малой и средней молекулярной массы. Кроме того, с помощью гемофильтрации могут быть удалены так называемые маленькие белки (например, бета2-микроглобулин, миоглобин), некоторые ферменты, бактериальные эндотоксины. При гемофильтрации эффективнее удаляются вещества, распределяющиеся преимущественно во внеклеточной жидкости и хорошо проходящие через мембрану, в меньшей степени нарушается осмотический баланс, поэтому гемофильтрация реже сопровождается опасными осложнениями со стороны органов кровообращения и центральной нервной системы. Для качества очищения определяющее значение имеет объем фильтрации, который в оптимальных случаях должен быть не менее 60-80% от массы тела пациента. Аппараты для гемофильтрации - гемопроцессоры оснащены насосами 153

для перфузии крови, удаления отфильтрованной жидкости (ультрафильтрата) и введения замещающего раствора, термостатом для подогревания замещающего раствора, электрическими весами для определения количества фильтрата и замещающего растворы, а также электронным устройством (микропроцессором), обеспечивающим автоматическое управление и контроль за ходом процедуры. Созданы аппараты, способные изготавливать высококачественный замещающий раствор, а также упрощенные портативные модели. Конструкцией аппарата предусмотрена защита пациента от перегретого раствора, воздушной эмболии, утечки крови в фильтрат, жидкостного дисбаланса. Для проведения гемофильтрации используют функциональную кровать и прикроватную систему взвешивания, что отвечает требованиям безопасности пациента. В стандартный набор для постоянной гемофильтрации входят маленький гемофильтр, кровяные линии, линии для замещающего раствора и фильтрата, контейнер и мешок-накопитель для фильтрата, сосудистые катетеры и переходные краны к ним. Постоянную гемофильтрацию можно проводить с помощью насоса крови и спонтанно за счет артериального давления крови пациента. В связи с малой скоростью фильтрации процедуру проводят длительное время, иногда несколько суток или недель. Замещающие растворы по составу близки к безбелковой части плазмы крови, стерильны, апирогенны и способны исправлять нарушения электролитного и кислотно-основного гомеостаза. Применяют 12-14 видов растворов, которые различаются по содержанию важнейших катионов, анионов, глюкозы, буферным свойствам, осмотическому давлению. Растворы расфасованы по 4,5-5 кг в мягкие пластиковые контейнеры. Аппарат присоединяют к пациенту с помощью наружного артериовенозного шунта или артериовенозной фистулы (в последнем случае сосуд пунктируют специальными иглами), реже введением катетеров в крупные сосуды посредством чрескожной пункции. Для предупреждения свертывания крови в аппарате в линию перед фильтром вводят гепарин (фракционно или постоянно), иногда на выходе из аппарата его нейтрализуют раствором протамина сульфата. Эффективность гемофильтрации оценивают, прежде всего, клинически по обратному развитию симптомов уремической интоксикации, по изменению массы тела, а также биохимическим показателям (содержание в крови мочевины, креатинина, мочевой кислоты, гуанидина и др.). Осложнения при гемофильтрации могут быть связаны с экстракорпоральной перфузией (кровотечение, нарушение гемостаза, эмболия), вмешательством в водно-электролитный и кислотно-основный баланс (гипергидратация и дегидратация, гипокалиемия, метаболический алкалоз). Могут быть связаны со стрессом и неселективным очищением (гипогликемия, гипофосфатемия, потеря аминокислот), нарушением теплового баланса (озноб повышение температуры тела), инокуляцией возбудителей инфекции (сепсис, гепатит, сифилис, ВИЧ-инфекция). При высокопоточной гемофильтрации могут наблюдаться артериальная гипотензия и сердечная слабость, обусловленные гипокалиемией и гипомагниемией, в связи с чем показаны периодическое введение панангина. При гемофильтрации предусмотрительно увеличи154

вают дозу лекарственных препаратов, количество вводимой глюкозы, аминокислот, уменьшают дозу инсулина. ƒ Гемодиафильтрация (ГДФ) При гемодиафильтрации одновременно происходит два процесса: 1. Гемодиализ - диффузия веществ через полупроницаемую мембрану диализатора между кровью пациента и диализирующей жидкостью; 2. Гемофильтрация - конвективный транспорт воды и растворённых в ней веществ через полупроницаемую мембрану гемофильтра. Диализаторы применяемые для гемодиафильтрации называются гемодиафильтры и имеют хорошие показатели как по диффузии, так и по ультрафильтрации. При проведении стандартной гемодиафильтрации используется бикарбонатный концентрат для получения диализирующей жидкости, а для замещения ультрафильтрата используются специальные растворы для гемофильтрации. Обычно во время сеанса замещаются от 9 до 20 литров жидкости. Существует разновидности гемодиафильтрации: стандартная гемодиафильтрация и гемодиафильтрация ON-Line. Во время гемодиафильтрации ON-Line замещающая жидкость готовится непосредственно из бикарбонатного диализата и объём замещения зависит от показаний, от скорости кровотока, типа диализного фильтра и может достигать 60-80 литров за процедуру. При скорости потока крови от 300 до 400 мл/мин. Средний процент снижения концентрации за процедуру для мочевины, креатинина, фосфата, бета2микроглобулина был соответственно: 78.1 ± 4.0 %, 72.0 ± 4.3 %, 59.3 ± 7.7 %, и 70.2 ± 9.5 %. Различают ON-Line ГДФ с предилюцией и постдилюцией, при которых замещающая жидкость вводится в кровь непосредственно до и после диафильтра (диализатора) соответственно (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Диаграмма процесса ГДФ с предилюцией и постдилюцией. 155

Таким образом, медицина располагает значительным числом методов детоксикации организма. Кроме того, постоянно разрабатываются новые способы. Дальнейшие исследования покажут, какие методы наиболее эффективны. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиализа

В 1944 году голландским врачом Колфом впервые был применен аппарат для временного замещения выделительной функции почек так называемая "искусственная почка" или гемодиализатор (ГДр) (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Принцип работы аппарата "искусственная почка". Его в основном используют при почечной недостаточности для освобождения крови от продуктов обмена и вообще, тех веществ, которым не место в организме - это может быть и лишняя вода. Для работы искусственной почки нужен катетер, насос и главная деталь полупроницаемая мембрана. Необходим специальный гемодиализирующий раствор, который содержит основные электролиты крови и глюкозу, в близких к нормальной крови концентрациях, но не содержит вещества подлежащих удалению. Таким образом, элементы крови через мембрану не проходят в отличие от вредных сульфатов, фосфатов мочевины. Учитывая общие закономерности построения аппаратов для внепочечного очищения крови, все существующие ГДр можно классифицировать по режиму транспортирования управляющей среды на аппараты со сливом и аппараты с рециркуляцией диализата или диализирующего раствора (ДР). 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга

Исследования последних лет убедительно показали, что длительная выживаемость на хроническом гемодиализе совершенно не связана с биосовмес156

тимостью диализных мембран, типом диализного буфера и элиминацией пресловутых "средних" молекул, среди которых безуспешно искали несуществующий уремический токсин. Поэтому в мировой практике замещения функции почек оставлены фильтрационные способы детоксикации крови, которые не показали никаких преимуществ перед гемодиализом. В настоящее время длительную выживаемость на хроническом гемодиализе связывают с непростыми, но понятными факторами: диализная доза (Kt/V), безопасность гемодиализа, питание, эритропоэтин. До настоящего времени проблема принципиального повышения качества гемодиализа не могла быть решена по причине отсутствия инструментов для фактического контроля за важнейшими параметрами гемодиализа, такими как доза гемодиализа, время, скорость перфузии крови, ультрафильтрация. Все эти задачи решались путем разнообразных косвенных расчетов и профилирования. Комплекс диализного мониторинга исключительно состоял из наблюдения за чисто физическими параметрами. В настоящее время проблему адекватности гемодиализа, аналитического определения гемодиализной прескрипции и сбалансированности ультрафильтрации решает гемодиализный биомониторинг, основанный на использовании сенсоров. Дело в том, что изменение биохимического состава отработанного диализата, как в зеркале отражает изменение биохимического состава крови. Поэтому по данным сенсора мочевины на сливе из аппарата искусственная почка оказалось вполне возможным осуществлять мониторинг таких фундаментальных показателей гемодиализа, как Kt/V, РСК (степень катаболизма белка), степень снижения уровня мочевины. Все эти параметры связаны практически линейной зависимостью и легко поддаются программированию. Компьютеризированный сенсор мочевины дает возможность интегрально с учетом всех погрешностей фактически в каждой конкретной ситуации определять диализную дозу и время. Волюметрический контроль ультрафильтрации не решил проблему адекватной гемодиализной дегидратации, хотя сделал ее управляемой. Основным недостатком всех ранее существовавших способов профилирования ультрафильтрации было отсутствие данных о фактическом изменении объема водных пространств организма. Сегодня эту проблему решает сенсор изменения объема крови. Сенсор неинвазивно устанавливается на входе крови в диализатор и по гемоконцентрации рассчитывает фактическое изменение объема крови в процентах от исходного значения и, равным образом, в динамике показывает темп восстановления объема крови после отключения ультрафильтрации. И сенсор мочевины и сенсор объема крови выдают информацию в цифровом и графическом виде и позволяет управлять работой аппарата искусственная почка по принципу обратной связи. Почти все гемодиализные компании уже декларировали инкорпорацию биосенсоров в основные блоки диализной аппаратуры. Таким образом, в настоящее время происходит качественный прогресс в почечной технологии. Надо полагать, что число параметров, которые контролируются биосенсорами, будет увеличиваться. Вероятно, это будет глюкоза, калий, рН и т. п. Итак, будущее гемодиализа - биомониторинг. 157

2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств

В последнее десятилетие возникли новые контакты на первый взгляд между очень далекими областями: электроникой и биохимией. Их взаимодействие создало новую сферу – биоэлектронику. Первым шагом в этой области было возникновение новых устройств для анализа и переработки, получивших название биосенсоров (БС). БС рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств. Биосенсоры – это аналитические устройства, использующие биологические материалы для распознавания определенных молекул и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала. Идея создания ферментного электрода принадлежит Кларку и Лайону, а первая публикация в 1967г. и название “ферментный электрод” - Хиксу и Апдайку. В этой работе на поверхность амперометрического электрода Кларка была нанесена иммобилизованная глюкозооксидаза, с помощью которой по изменению концентрации кислорода измеряли концентрацию глюкозы. Первый потенциометрический ферментный электрод для определения мочевины описан Монтальво и Гильбо в 1968 г. Под термином биосенсор (БС) следует понимать устройство, в котором чувствительный слой, содержащий миологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы и др., непосредственно реагирующий на присутствие определенного компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно БС представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, - биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. На рис. 3.10 приведена общая схема такого устройства. Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь преобразует концентрационный сигнал в электрический. В данном случае реализуется принципиально новый способ получения информации о химическом составе раствора. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, на прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов и т.д. (отсюда и название – без реагентные методы анализа). Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические и т.п. На рис. 3.11 приведен перечень преобразователей используемых в БС.

158

Рис. 3.10. Схема биохимического сенсора: 1-исследуемый раствор, 2корпус БС, 3-полупроницаемая мембрана (для механического удержания биослоя), 4-слой биоматериала, 5-физический преобразователь (электрод и т.д.), 6-усилитель сигнала, 7-индикатор. В настоящее время наиболее распространены электрохимические преобразователи. Различают потенцио- и амперометрические БС, биосенсоры оптоволоконные, на полевых транзисторах и др. По названию преобразователя можно сделать вывод о характере физического свойства, которое измеряется аппаратно с использованием микропроцессорной техники, что позволяет сделать устройство достаточно компактным. Функционально, таким образом, биосенсоры сопоставлены с датчиками живого организма – биорецепторами, способные преобразовывать все типы сигналов в электрические.

159

Рис. 3.11. Типы чувствительных элементов распознавания (биослой) и физических преобразователей в сенсорах. Принцип работы БС достаточно прост. Определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в котором и протекает ферментативная реакция по схеме, указанной на рис. 3.10. Поскольку в данном случае продукт ферментативной реакции определяется с помощью электрода, на поверхности которого закреплен фермент, то такое устройство называют ферментным электродом. Таким образом, определения “биосенсор” и “ферментный электрод” в данном случае синонимы. Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от природы фермента, типа его каталитического действия. Многие ферменты сейчас доступны, их чистые препараты включены в каталоги ряда фирмпроизводителей. Важно отметить, что при конструировании БС увеличение продолжительности действия фермента становиться основной задачей. Дело в том, что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течении относительно короткого времени. Поэтому была разработана операция так называемой иммобилизации фермента. В ходе иммобилизации с помощью специальных реагентов фермент “закрепляют” либо на поверхности адсорбентов, например силикагеля, угля или целлюлозы, либо вводят в пленку пористого полимера, либо ковалентно, то есть с помощью химических связей, “пришивают” к какой-либо подложке. При этом фермент закрепляется, перестает быть подвижным, не вымывается из биослоя, а его каталитическое действие сохраняется. На рис. 3.12 дано схематическое изображение методов иммоби160

лизации ферментов в БС.

Рис. 3.12. Схематическое изображение методов иммобилизации ферментов в БС: а – ковалентное связывание с поверхностью электрода, б – сшивание, в – адсорбция на носителе (электроде), г – ковалентное связывание и пришивание к подложке (электроду), д – захват носителем (в пленке полимера). Недостатком БС является трудность их изготовления. Но успехи в области развития средств микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструкций БС к новым решениям. Оказалось перспективным использовать так называемую планарную технологию (фотолитографию, полупроводниковую технику покрытия и т.д.), по которой можно изготовить биочип, объединяющий сенсорную систему, трансдьюсер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор для измерения аналитического сигнала и расчета результатов анализа. “Молекулярный дизайн” при конструировании БС будущего может составить реальную конкуренцию их объемному варианту. Таблица 3.8. Примеры ферментных электродов и область их применения Фермент Уреаза Пенициллиназа Оксидаза Lаминокислот

Индикаторный электрод Аммонийный, Газочувствительный СО2 и NH3 рН-метрический Аммонийный

Определяемое вещество Мочевина (субстрат), Фториды, тяжелые металлы Пенициллин

Область применения Клиническая экология

диагностика,

Фармацевтическая промышленность L-аминокислоты: Пищевая промышленность, цистеин, лейцин, производство биопрепаратов, тирозин, триптофан, санитарная экспертиза и друфенилаланин, метионин и гие другие

161

Индикаторный Определяемое Фермент электрод вещество D-аминокислоты: Оксидаза D- Аммонийный, фенилаланин, тирозин, аминокислот Газочувствиметионин, ,лей-цин, тельный NH3 триптофан и другие Биогенные амины: сеМоноаминГазочувствиротонин, тирамин, адреоксидаза тельный NH3 налин, триптамин, норадреналин, бензиламин; про-изводные бензимидазолов, гидразина, акридины, атропин, метацин и другие ХолинэстерарН-метричесCубстраты - холиновые зы: ацетилхо- кий, редокс- и тиохолиновые эфиры линэстераза, метрические: пла- уксусной про-пионовой и бутирихолин- тиновые, стеклян- масляной кислот; атроэстераза ный ЭО-01, газо- пин, эзерин, прозерин, чувствитель-ный пестициды антихолинэCO2 стеразного действия, ионы Ме Аспарагиназа Аммонийный Аспарагин ГлюкозоксиИодидный, рНдаза метрический НитритреАммонийный дуктаза + метилвиологен НитратреГазочувствидуктаза тельный NH3 Креатиназа

Газочувствительный NH3

Глюкоза Нитриты Нитраты Креатинин

Область применения Клинический анализ, производство биохимических препаратов, пищевая промышленность Клиническая диагностика, фармацевтическая и пищевая промышленность, санэкспертиза, сельское хозяйство

Химико-токсикологический анализ, сельское хозяйство, ветеринария

Медицина, производство биопрепаратов, пищевая пром-ть Медицина Сельское хозяйство, ветеринария, токсикология, санэкспертиза, экология Сельское хозяйство, ветеринария, токсикология, санэкспертиза, экология Клинический анализ, производство биохимпрепаратов

2.5.2. Типы биосенсоров мочевины

Содержание мочевины в крови является важным клиническим параметром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мочевины (СО(NH2)2) лежит в интервале 3,6–8,9 мМ, что составляет 3,6–8,9 ммоль/л; где М – молярная концентрация. В источнике представлена таблица мембранных биосенсоров мочевины. Во всех известных биосенсорах мочевины использована реакция гидролиза, катализируемая высокоспецифичным ферментом – уреазой: СО(NH2)2 + 2H2O → NH3 + NH4+ + HCO3⎯

(3.1)

Уреаза — растительный ферментный препарат, не уступающий лучшим зарубежным аналогам. Диагностическое средство, предназначенное для сни162

жения содержания мочевины в крови и определения мочевины в биологических жидкостях. Уреаза иммобилизованная — иммобилизованная форма фермента для использования ее в системе ферментного электрода (биосенсора) для аналитических и диагностических целей, а также для определения и разложения мочевины в биологических жидкостях и применения в аппарате «искусственная почка». Некоторые из перечисленных в табл. 3.8 ферментных электродов выпускаются для продажи. Так, фирма Owens - Illinois (Kimble) создала прибор для определения мочевины на основе иммобилизованной уреазы и аммиачного газочувствительного электрода. По приобретенному патенту фирма Technicon продает этот прибор в Европе. Непосредственно ферментные электроды для определения мочевины, креатинина, аминокислот, спиртов, глюкозы и некоторых других веществ изготовляет по специальному запросу фирма Universal Sensors (New Orlean, USA). У нас в стране ферментные электроды для оценки общей токсичности воды и определения фосфорорганических пестицидов и других веществ антихолинэстеразного действия изготовляются по предварительным заказам на экологическом факультете Казанского государственного университета. ƒ Амперометрические биосенсоры: В амперометрических ферментных электродах чаще всего индикаторным электродом является платиновый электрод. Селективность амперометрического биосенсора (АБС) определяется природой материала электрода, точнее, его поверхности, а следовательно, и величиной потенциала, при котором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента. Чувствительность АБС составляет порядка 10-9 М. Несмотря на высокую чувствительность АБС обладают относительно большим временем измерения 2-3 мин. ƒ Потенциометрические биосенсоры: В потенциометрических ферментных (биоспецифических) электродах индикаторными электродами служат обычно ионоселективные или (реже) редоксметрические электроды. Как уже говорилось выше, выбранный индикаторный электрод должен обладать избирательностью к ионам продукта или субстрата ферментативной реакции. Кроме того, он должен иметь низкий предел обнаружения потенциалопределяющего иона, проявлять стабильность в работе и быть нечувствительным к слою иммобилизованного фермента (биопрепарата). В потенциометрических индикаторным электродом является стеклянный и другие рН - метрические, а также газочувствительные электроды. Кроме того, применяются и другие ионоселективные электроды (ИСЭ): аммонийный, нитратный, холиновый и т.д. Стеклянный рН-метрический электрод не случайно нашел широкое применение в конструкциях ферментных и других биосенсоров. Его уникальная избирательность к ионам Н+ и ОН-, 163

низкий предел обнаружения, высокая стабильность в работе, возможность в некоторых случаях стерилизовать поверхность электрода сделали этот ИСЭ незаменимым для самых различных исследований, в том числе биологических объектов. С позиции сочетания с ферментными препаратами рНметрический электрод почти универсален, т.к. в большинстве ферментативных реакций происходит изменение рН. рН – чувствительные ионоселективные электроды:

Потенциометрические биосенсоры (ПБС) основаны на ионоселективных электродах, дающих селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул вещества в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал. И, что самое главное они функционируют обратимо, и при измерении потенциала на электроде не нарушается электрохимическое равновесия электрод (биосенсор) – раствор, чего нельзя сказать об амперометрических биосенсорах, отклик которых определяется электролизом, т.е. потреблением вещества. Однако расход определяемого вещества за время формирования отклика настолько ничтожен, что не вызывает изменения концентрации определяемого компонента при повторных измерениях. ПБС менее чувствительны, чем АБС. Высокой селективностью обладают уреазные сенсоры на основе газовых аммиачных электродов. Преобразователь мочевины, подходящий для быстрого, непрерывного определения мочевины в жидкостях, был разработан Guilbault G.G. и Montalvo J.G. Преобразователь мочевины называется электродом мочевины потому, что сделан на полимеризованной желатиновой мембране иммобилизированного фермента на стеклянном электроде, который определяет ионы аммония. Для мочевины специфично получение иммобилизации фермент (уреазы) в слое акриламидного геля толщиной 60-350 μм на поверхности стеклянного электрода. Когда электрод мочевины помещен в контакт с раствором, который содержит мочевину, субстрат распространяется в слой геля с иммобилизированным ферментом. Фермент катализирует (ускоряет) разложение мочевины до иона аммония как показано в уравнении: СО(NH2)2 + H2O → 2NH4+ + CO2

(3.2)

Ион аммония, произведенный на поверхности электрода определяется рН – чувствительным электродом, который измеряет активность этого одновалентного катиона способом, аналогичным pH определению со стеклянным электродом. Потенциал этого электрода измерен. Время для 98 % установившегося ответа равняется 25 – 60 сек, в зависимости от толщины мембраны геля. Для проведения измерения достаточно 175 мг исследуемого раствора. Кривая ответа, т.е. зависимость выходного напряжения с датчика от концентрации мочевины, или типичная кривая калибровки представлена на 164

рН – чувствительные полевые транзисторы:

Довольно широкое распространение получили миниатюрные устройства, основанные на полевых транзисторах. В них металлический контакт затвора транзистора заменен химически чувствительным слоем и электродом сравнения. В этом случае затвор представляет собой металлический слой, покрытый чувствительным материалом. Взаимодействие определяемого компонента с материалом затвора вызывает изменение электрического поля в области затвора и, следовательно, порогового потенциала и тока в транзисторе, что и обуславливает аналитический сигнал. Чувствительность рН – чувствительных полевых транзисторов составляет порядка 10-4 – 10-5 М. U, мВ 180 150 120 90 60 30 357

35,7

3,57

0,35

0,035 КМ , моль/л

Рис. 3.13. Кривая калибровки. Существуют устройства состоящие из фоточувствительной мембраны, которая содержит иммобилизованную уреазу, катализирующая гидролиз мочевины до аммиака и углекислоты (см. реакция гидролиза ). В таких устройствах регистрация потенциала светочувствительной мембраны осуществляется с помощью полевого транзистора, такой подход значительно миниатюризирует биосенсор (рис. 3.14). Время измерения при использовании полевых транзисторов составляет около 5 мин. Появляющиеся в результате биохимической реакции ионы аммония влияют на амплитуду фотоответа сенсора, что составляет основу определения мочевины. Калибровочная зависимость такого биосенсора представлена Свет 1 на рис. 3.15. 6 2 5 165

Рис. 3.14. Схематическое представление сенсора на основе транзистора. 1-электрод сравнения, 2-фоточувствительная мембрана с ионофором, 3сденозащитный экран, 4-внупренний электролит, 5-герметизирующее кольцо, 6-внешний раствор содержащий измеряемое соединение. U, мВ 35 30 25 20 15 10 5 0 7

6

5

4

3

2

1

lg[(NH2)2CO]

Рис. 3.15. Зависимость величины фотоответов биосенсора от концентрации мочевины. Удобство в использовании биосенсоров заключается в том, что их элементы: чувствительная мембрана, пленка с иммобилизованным ферментом и пр.; являются легко заменяемыми компонентами, в следствии чего возможна их оперативная замена и быстрая настройка для анализа широкого спектра биологически активных соединений. 3. Газовый анализатор 3.1. Исследование физико-химического состава содержимого брюшной полости

В последнее время повысился интерес к прецизионному исследованию продуктов жизнедеятельности. Установлено, что по хромато-массспектрометрическому анализу слюны, кала, влагалищных смывов, выдыхаемого воздуха можно диагностировать многие заболевания, в частности стоматологические, гинекологические, легочные, психические. Кишечные газы являются одним из наиболее доступных биологических материалов, однако, они еще недостаточно используются для диагностики заболеваний. Состав кишечных газов имеет также существенное значение для космической медицины. Исследование кишечных газов было проведено на хромато-масс-спектрометре LKB-2091 (Швеция), соединенном с ЭВМ, включающей компьютер PDP 11/34 (США), дисплей и графопострои166

тель. Пробы кишечных газов отбирали во фторопластовые мешочки. На основании проведенных исследований за норму может быть принято следующее содержание специфических химических соединений в кишечных газах (концентрации приведены к 760 мм.рт.ст. и 37 0C). Из предельных углеводородов в существенных количествах представлены (в скобках - концентрация в микрограммах на 1л) этан (2056), пропан (1485), пентан (677), изопентан (597), 2-метилпентан (97,4), 3-метилпентан (86,1), гексан (55,1), 2метилгексан (47,2), 3-метилгексан (45,2), октан (52,1), 2,2,5-триметилгексан (40,9), гептан (37,9), нонан и его изомеры (25,9), ундекан и его изомеры (18,6),додекан и его изомеры (14,4), тридекан и его изомеры (8,12), 2,2,5триметилгептан (31,6). Из предельных углеводородов обнаружены этилен (857), бутилен (176), изопрен (541), гептен-1 (39,9), 3-метилбутен-1 (30,5), децен-1 (34,0), диизоамилен (30,2), ундецен-1 (25,9), додецен-1 (18,6), тридецин-1 (7,82), 4-метилоктадиен-1,7 (6,34), децин-3 (3,37). Идентифицированы следующие нафтеновые соединения: циклобутан (43,9), циклопентан (48,5), метилциклопентан (50,2), циклогексан (57,4), триметилциклопентан (45,5), 1,3-диметилциклогексан (36,9), этилциклогексан (60,7), триметилциклогексан (74,6), пропилциклогексан (31,9), амилциклогексан (24,2), индан (11,5), гексагидроиндан (6,04). Выявлены соединения, принадлежащие к ароматическим углеводородам: бензол (446), толуол (114), этилбензол (140), ксилол (48,5), стирол (0,26), н-пропилбензол (13,5), 1-метил-3-этилбензол (23,3), 1метил-4-этилбензол (26,9), 1-метил-2-этилбензол (26,3), бутилбензол (2,57), 1,2,4-триметилбензол (2,07), 1-метил-4-изопропилбензол (1,94), 1-метил-3изопропилбензол (2,08), 1,3-диметил-5-этилбензол (1,50), 1,2-диметил-4этилбензол (2,55), 1,3-диметил-2-этилбензол (2,36), 1,2,3,4-тетраметилбензол (1,38), нафталин (2,15), 2-метилнафталин. Представляет существенный интерес идентификация в кишечных газах значительного количества специфических кислородосодержащих соединений: альдегидов - формальдегида (28,3), ацетальдегида (195), 2-метилпропаналя (44,9), 3-метил-бутаналя (30,8), пентаналя (27,9), 2,4,-гексадиеналя (24,9), гексаналя (26,1), фурфураля (23,6), гептаналя (24,6), октаналя (25,9), бензальдегида (16,4), нонаналя (7,23), деканаля (4,92), ундеканаля (4,19); кетонов - ацетона (409), метилэтилкетона (1960), 2-бутанона (44,2), метилциклобутилкетона (25,2), 2-гексанона (26,6), 4-гептанона (17,9), 3-октен-2-она (10,3), 2-деканона (7,49), 2-ундеканона (6,11), 3-метилциклопентанона (3,43); спиртов - метанола (53,8), этанола (850), пропанола (328), изопропанола (449), бутанола (246), циклогексилового спирта (317), изоамилового спирта (278), бензилового спирта (176), 3метил-1-бутанола (276); эфиров - этилацетата (94,7), диэтилового эфира (176), 1,4-диоксана (80,4), бутилацетата (64,4), изобутилацетата (28,5), изоамилацетата (56,8), этилгексаноата (23,5), этилоктаноата (20,8), дифенилового эфира (30,5), этилбутаноата (17,9), 3-метил-2-бутилацетата (21,7), а также других кислородосодержащих соединений - оксида углерода (4049), фенола (93,7), фурана (234), n-крезола (558), ментола (35,6), муравьиной (1531) и уксусной (2039) кислот. Из азотосодержащих углеводородов представлены следующие соединения: метиламин (746), изопропиламин (581), пирролидин 167

(0,199), индол (0,068), скатол (0,042), 2,2-дипиридил (2,68), н-метилпиррол (3,22), метилпинеразин (3,73), ацетонитрил (27,4), метакрилонитрил (2,62); из серосодержащих - метилмеркаптан (4,46), этилмеркаптан (10,1), диметилдисульфид (6,14), метил-н-пропилсульфид (6,99), амилмеркаптан (0,50), 2,3,4тритиопентан (2,83), амилтиозоцианат (3,66), этиленсульфид (4,22); хлорсодержащих - хлороформ (32,2), трихлорэтилен (20,1), тетрахлорэтилен (18,1), хлорбензол (19,6), хлористый метил (27,5), четыреххлористый углерод (3,37), дихлорметан (19,9), 1,1,1-трихлорэтан (6,47). Хромато-массспектрометрический анализ кишечных газов может быть эффективно использован для диагностики заболеваний. Поскольку многие из указанных веществ имеют специфический запах, то экспериментально были определены пороги обонятельного ощущения для каждого из веществ в отдельности. Результаты эксперимента обрабатывали методом пробит-анализа. В эксперименте участвовали 28 лиц в возрасте 20-55 лет, не имеющих функциональных нарушений со стороны органов обоняния, полости рта и дыхательных путей. Результаты эксперимента показали, что пороговая концентрация для интересующих нас газов, сероводорода на уровне 0,021 мг/м3, аммиака - 0,206 мг/м3, паров ацетона - 0,409 мг/м3. 3.2. Обзор принципов и схем обработки данных

Наибольшую активность в период с 1980 по 2000 гг. в сфере разработки измерителей концентрации проявила Россия, а пик патентования приходится на 1990-1993 гг. В настоящее время ведущими признаны следующие фирмы: 1. Россия – Малое государственное предприятие "Практик - НЦ"", Нижегородское производственное предприятие "ЭКО - плюс", фирма "Геба", АОЗТ "Сенсорные системы", ОАО "Украинский НИИ аналитического приборостроения". 2. Япония – FIGARO ING. 3. Германия – SIMENS, FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITAET JENA. 4. PTC (WO) - AROMASKAN, MATSUSHITA ELEKTRIC INDASTRIAL CO, MINNESOTA MINNING & MANUFACTURING COMPANI, CAPTER SENSOR & ANALYSERS LTD 5. EP - MIKROSTRUKTURTECHNIK-MBH, UNITED KINDOM ATOMIK ENERGY AUTOHORITY, DRAEGERWERK AKTIENGESELLSCHAFT. Основными задачами, стоящими перед разработками в настоящее время, являются: - повышение точности измерений; - расширение диапазона измерений и функциональных возможно168

стей; - повышение чувствительности и селективности; - повышение надежности и срока службы; - увеличение помехозащищенности; - упрощение конструкции и способа изготовления; - уменьшение погрешности измерения; - повышение быстродействия; - уменьшение энергопотребления; - удешевление; - увеличение быстродействия; - улучшение весо-габаритных показателей; - повышение стабильности параметров; - снижение рабочей температуры; - повышение достоверности анализа; - обеспечение экспрессного анализа; Приведенные данные позволяют сделать вывод, что в настоящее время основной тенденцией в развитии методов и средств измерения концентрации является повышение чувствительности и селективности. 3.3. Выбор типов первичных преобразователей

Обнаружение различных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее специфичны для различных веществ. При этом используются различные физические и химические эффекты. Кроме этих простых и надежных газовых детекторов для более ответственных применений существуют еще оптические фотометры, превосходящие газовые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству. Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства: • термокондуктометрические ячейки (СО2, SO2, SF6); • термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы); • полупроводниковые датчики (спирты, Н2S, углеводороды, токсичные газы); • топливные ячейки (кислород). Термокондуктометрические ячейки. Принцип действия этих датчиков состоит в следующем: Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в которой имеется платиновая или никелевая проволочная спираль, нагретая до температуры примерно на 40ОС выше окружающей. Если состав газов изменится, то изменится также теплоотвод от нагретой спирали к стенкам ячейки. Охлаждение или нагрев спирали ведет к изменению ее сопротивления, кото169

рое сопоставляется в измерительном мосте со вторым - эталонным - сопротивлением, расположенным в сравнительной камере. Одинаковый тепловой эффект может быть обусловлен смешением различных газов, но в соответственно разных количествах, применение датчика ограниченно только анализом бинарных смесей из трех и более данный способ непригоден. Топливные ячейки. Для оценки натекания воздуха по содержащемуся в нем кислороду применяют датчики с топливной ячейкой. В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности электропроводящего материала, находящегося между электролитом и атмосферным воздухом. В результате возникает электрический сигнал, который может быть измерен. Термохимические (каталитические) ячейки. Термохимическая ячейка имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост. Одна спираль покрыта слоем активного катализатора, а вторая - слоем пассивного катализатора. Находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кислородом воздуха на активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО2). Выделяющаяся в результате этой реакции тепловая энергия вызывает повышение сопротивления активной спирали, а в итоге - разбаланс моста. С помощью такого датчика можно обнаруживать незначительные концентрации СО. Полупроводниковые датчики. В самых простых и дешевых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. Устройство датчика состоит из керамической основы, на которой находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего меняется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения. Наиболее значительным производителем полупроводниковых газовых датчиков является японская фирма Figaro Eng. Inc. Фирма Figaro Engineering Inc. является одним из мировых лидеров по производству датчиков детектирования и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха. Весь производственный процесс, включающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, который гарантирует потребителям хорошие технические параметры датчиков, а также их надежность и стабильность в эксплуатации. Объем производимой продукции Figaro на сегодняшний день составляет 1 миллион датчиков в месяц. Среди потребителей датчиков Figaro такие известные мировые компании как BMW, Mitsubishi Heavy Industries, General Motors, Daikin и др. Принцип действия датчика на основе оксида металла основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия нанесен 170

тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400ОС) при помощи нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси. Зависимость сопротивления датчика от концентрации газа, примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ppm) до нескольких тысяч ppm) (рис. 3.16). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения.

Рис. 3.16. Датчик TGS 2611 для обнаружения газов.

171

Рис. 3.17. Характеристика чувствительности для разных газов Rs – сенсорное сопротивление в газах в различных концентрациях; R0 – сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана.

Рис. 3.18. Зависимость сенсорного коэффициента сопротивления от температуры Rs – сенсорное сопротивление в 5000 ppm при различных температурах/влажностях; R0 – сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана при 20 0С и 65%RH.

172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенные теоретические основы диагностических методов и аппаратных средств, применяемых в практической медицине и лабораторных исследованиях, по мнению авторов, помогут студентам старших курсов специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" получить дополнительную информацию, необходимую для успешного решения широкого круга задач при разработке и проектировании медицинской диагностической, терапевтической и лабораторной техники. Не все затронутые в учебном пособии вопросы рассмотрены одинаково подробно, не все методики проиллюстрированы числовыми примерами. Это обусловлено ограниченным объемом учебного издания. Более подробное изложение ряда новых, совершенствуемых в настоящее время методов можно найти в специальной литературе, журналах, посвященных медицинскому приборостроению. В заключении следует подчеркнуть, что разработка новых диагностических методов и современной аппаратуры в медицине является актуальной и социально значимой задачей современного медицинского приборостроения. Авторы составители выражают глубокую благодарность студентам специальности 190500, выпусков 1999-2004 г., дипломные работы которых послужили базой для составления настоящего учебного пособия

173

Литература

1.Биофизическое моделирование диагностического процесса – векторкардиографии. // Вестник новых медицинских технологий – 1999 - тVI - №3-4. 2.Белоусов В. Е. Математическая электрокардиология. - Минск: Беларусь,1969. – 143 с. 3. Дорофеева З. З. Принципы векторкардиографии. – М: Медгиз, 1963. – 96 с. 4. Макаров Л. М. Холтеровское мониторирование (руководство для врачей по использованию метода у детей и лиц молодого возраста). – М.: Медпрактика, 2000. - 216 с. 5. Мурашко В. В., Срутынский А. В. Электрокардиография. – М: Медицина, 1987. – 256 с.,ил. 6. Озол Э.А. Корригированные ортогональные отведения электрокардиограммы в клиническом анализе биоэлектрической активности сердца / автореферат. - Казань, 1972. - 26 с. Расчёт параметров электрокардиограммы желудочкового комплекса. // Вестник новых медицинских технологий – 1999. - т.VI - №3-4. Титомир Л. И. Автоматический анализ электромагнитного поля сердца / Отв. ред. И. Ш. Пинскер.-М.: Наука, 1984.-176 с. Титомир Л. И., Рутткай-Недецкий И. Анализ ортогональной электрокардиограммы. – М.: Наука, 1990. – 198 с., ил. Тартаковский М. Б. Основы клинической векторкардиографии. – Л.: Медицина, Ленинградское отделение, 1964. – 434 с., ил. Янушкевичус З. И., Чирейкин Л. В., Пранявичус А. А. Дополнительно усиленная электрокардиограмма. – 2-е изд., испр. и доп. – Л.: Медицина, 1990. – 192 с.:ил. Мошкевич В.С. Фотоплетизмография (Аппараты и методы исследования). −М.: "Медицина", 1970.−345с. Исследование оптических свойств тканей фотоплетизмографическим методом // Стоматология.− 1986.− Т.65, №1 − с.27-29. Биофизическое обоснование фотоплетизмографии в отраженном свете / М.И.Гайдук, В.В.Григорьянц, В.Н.Зайцев и др. // Мед. Техника.− 1990.− №2.−с.4−8. Фотоплетизмографичекие показатели гемодинамики при заболеваниях парадонта / Я.Н.Горенштейн, М.Е.Трухина, Д.А.Марголин, К.В.Милохов. // Стоматология.−1989.− Т.68, №5.− с.20−22. Модификация фотоэлектроплетизмографа для длительных динамических исследо-ваний. // Д.Д.Закирджаев, А.А.Багирзаде, Н.Ф.Мурадов, Т.Г.Ахвердиева. // Азерб. мед. журн., 1982, №8, с.68−71. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптикоэлектронных приборов: Учеб. для приборо-строит. вузов.− 3-е изд., перераб. и доп.− М.: Машиностроение, 1989.− 359с., ил. Медицинские электронные аппараты для здравоохранения. Лесле Кромвелл перевод с английского под ред. М.К. Размахнина - М: Радио и связь 174

1981г. Цифровая обработка сигналов. Опейгейм А.В., Шапер Р.В. Перевод с английского под редакцией С.Я. Шаца –М: Связь, 1979г.-116с. Микрокомпьютерные медицинские системы. Проектирование и применение. Г. Фурно, Д. Дас, Г. Спренгер и др. перевод с английского – М: Мир, 1983г.-544с. Физиологические измерения в космосе и проблема их автоматизации. Баевский Р.М.- М: Наука, 1971г.-220с. Современные методы и аппаратура для автоматизированных измерений в кардиологии. Под редакцией профессора Н.Н. Мухарлямова – М: Медицина, 1982г.-120с. Математический анализ измерений сердечного ритма при стрессе. Баевский Ф.М. и др.- М: Наука, 1984г.-222с. Перитонит. В.К. Гостищев, В.П. Сажин, А.Л. Авдовенко – М: Медицина 1992г. Атлас цитологии экссудатов и транссудатов. А.Н. Яновский, М.А. Чепелова – Киев: «Здоровье» 1968г. Эндохирургические вмешательства при острых заболеваниях органов брюшной полости. И.С. Малков, Р.Ш. Шаймарданов, И.А. Ким – Казань 1996г. Системотехническая разработка измерительно-вычислительных комплексов медицинского назначения: Учебное пособие – практикум. В.М. Солдаткин, А.А. Порунов – Казань, 1994г. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник. В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин – М: Энергоатомиздат 1984г. Двухлучевые фотометрические системы для клинико-физиологических исследований. Учебное пособие. Е.П. Попечителев, Б.И. Чигирев – Л: Издательство Ленинградского университета, 1991 г. Оптоэлектроника в измерительной технике. В.Ф. Бахтумский, Н.И. Гореликов, Ю.Н. Кузин – М: Машиностроение, 1979г. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Е.С. Левшина, П.В. Новицкий – Л: Энергоатомиздат 1983г. Применение оптоэлектронных приборов. Под редакцией Ю.Ф. Носова – М: Радио и связь 1981г. Проектирование оптико-электронных приборов. Ю.Б. Парвулюсов, В.П. Солдатков, Ю.Г. Якушенко – М:Машиностроение 1983 г. Волоконно-оптические датчики. В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов – М: Энергоатомиздат 1990г. Интегральная электроника в измерительных устройствах. В.С. Гутников – Л: Энергия 1980г. Диагностика и лечение заболеваний органов пищеварения. Бабак О.А. Харьков, 1991.-269 с. Бейтс Р. Определение рН: Теория и практика. Л.: Химия. 1968.-398 с. Внутрижелудочная рН-метрия. Методическое пособие для врачей. г.Фрязино, ГНПП Исток-Система, 1996.-48с. РН-метрические зонды. Рекомендации для медицинского персонала. 175

г.Фрязино, ГНПП Исток-Система, 1998.-42с. Бехтерева Н. П. О мозге человека.– С.-Пб.: Нотабене, 1997.-65с Гетман Ф. Ф. Автоматический способ калибровки реоэнцефалограммы. // Врачебное дело 1970 №1 Глубинные структуры мозга: Анатомия, патология и физиология: В 2х т./ под общ. ред. В. В. Михеева.-М.: Наука, 1969. – 158с Дженкнер Ф. Л. Реоэнцефалография: пер с англ / под ред. Т. М. Дарбиняна. – М.: Медицина, 1966. – 81с Диагностика и прогнозирование функционального состояния мозга человека / АН СССР. – М.: Наука, 1988. – 206с Кедров А.А. О методике реоэнцефалографии // Кардиология.-1987 Т.28.№2 Компьютерная реография. М.А. Ронкин, В.С. Шалыгин, А.В. Пироженко, И.М. Максименко, В.Г. Горбачева, В.Д. Щербакова, Л.И. Васильева // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника 2002 №8 Методы клинической нейрофизиологии. Изучение физиологии головного мозга человека. Под ред. В. Б. Гречина.: Наука, 1977. - 355с Минц А. Я., Ронкин М. А. Реографическая диагностика сосудистых заболеваний головного мозга.-Киев.: Здоровья, 1967. – 157с Москаленко Ю. Е., Вайнштейн Г. Б. Реоэнцефалография: биофизические основы, информативность, границы применения. // Физиология человека.-1983 Т9, №5 Реография: импедансная плетизмография. Под ред. Сидоренко Г. И. 1978 Соколова И. В. Система автоматизированной диагностической оценки функционального состояния сосудов головного мозга по реоэнцефалограмме. // Медицинская техника.-1986 №2 Черкес В.А., Олешко Н. Н., Ваколюк Н. И., Луханина Е. П. Физиология головного мозга. Практическое пособие. Учеб. пособие для ст-тов биол. спец. ВУЗов. К.: Вища школа, 1976 Яруллин Х. Х. Клиническая реоэнцефалография. - Л.: Медицина, 1967 Исследование системы крови в клинической практике (под ред. Г.И.Козинца). – М.: Триада, 97. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. - М.: Научная школа, 82. – 425 с. Бурчинский Г.И. Реакция оседания эритроцитов. – Киев: Госмедиздат УССР, 1962. Козловская Л.В. и др. Учебное пособие по клиническим лабораторным методам исследования./ Под ред. акад. АМН СССР Е.М.Тареева. – М.:Медицина,1984. Скорость оседания эритроцитов в клинической практике. //Курашвили Л.В., Михалкина О.П.// Клиническая лабораторная диагностика. – 1994. - №4. Реологические свойства эритроцитов. Современные методы исследования// Катюхин Л.Н.// Физиологический журнал им.И.М.Сеченова. – 1995.т.81.-№6. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М.: Мир, 86. – 664 с. Топорец. А.С. Оптика шероховатой поверхности. – Л.: Машиностроение, 88. 176

– 191 с. О повышении информативности фотометрической регистрации агрегационных свойств эритроцитов//Попов М.П., Реук В.Д., Д.И.Зюбан, Толстой Л.А.//Гематология и трансфузиология. – 1987. - №5. – с.52 – 55. Методы анализа гематологических характеристик, основанные на светорассеянии //Буглов Е.Д., Бондаренко В.С., Костин Г.М., Хайруллина А.Я.//Медицинская техника. – 1989. - №4. - с.17 - 24. Ашкинази И.Я. Эритроциты и внутреннее тромбопластообразование. – Л.: Наука, 77, 155 с. Хэм А., Кормак Д. Гистология, т. 5. М., 1985 г. А.И.Новиков, А.Е. Ермоленко, А.Б. Косырев. Сравнение различных способов измерения полученной “дозы” гемодиализа // Мед. техника. – 1995,- №4, - с. 18-22. Гринвальд В. М. Моделирование структуры аппаратов для гемодиализа // Мед. техника. – 2001,- №4, - с. 20-27. Максимов Е.П. Динамический алгоритм профилирования параметров гемодиализа // Мед. техника. – 2002,- №4, - с. 20-22. Будников Г. К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. – 1998, - №3, - с. 72-76. Будников Г. К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соросовский образовательный журнал. – 1996, - №12, - с. 26-32. Биосенсоры для определения органических соединений: Сенсоры аминокислот, мочевины, спиртов и органических кислот: Обзор/ Сорочинский В.В., Курганов Б.И. //Прикладная биохимия и микробиология.-1997.Т.33, № 6.-с.579-594. Никольский Е.Б., Ягодина О.В. Ферментный электрод для определения микроколичеств некоторых азотосодержащих веществ.// Журнал аналитической химии.–1985.-Т.40, вып.7, с. 1299-1307. Решетилов А.Н. Модели биосенсоров на основе потенциометрических и амперометрических преобразователей для использования в медицине, биотехнологии, мониторинге объектов окружающей среды.// Прикладная биохимия и микробиология.-1996.-Т.32, № 1.-с.79-95. Будников Г.К., Медянцев Э.П. и др. Амперометрические датчики на основе иммобилизированных ферментов.// Успехи химии.-1991.-Т.60, № 4.с.880-909. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Муринов Ю.И. Вольтамперометрия с модифицированными и ультрамикроэлектродами. М.: Наука, 1994. 239 с. Биосенсоры: основы и приложения./ Под ред. Э. Тернера и др. М.: Мир, 1992. 614 с.

177