Методы и технические средства для инвазивной оценки показателей и характеристик кровотока

Для оценки оксигенации крови используются методы спектрофотометрии. Она может быть выполнена как с помощью инвазивного, так и с помощью неинвазивного методов. Инвазивный метод даёт более объективные результаты, но связан с необходимостью проведения травматического внешнего воздействия. Неинвазивный метод обеспечивает получение менее объективных результатов, но он очень удобен для медицинской практики. Инвазивный метод, например, используют для оценки сатурации венозной крови (Sp0₂). Для этого в катетер, вводимый в подключичную вену или лёгочную артерию, вмонтированы два световода. При их реализации используются элементы волоконной оптики. Световод представляет собой тонкую нить из специального стекла или полимера, которая покрыта веществом, выполняющим роль отражающего слоя (с малым коэффициентом преломления). Свет, попавший на торец такой нити, под углом, меньшим 0_тах, распространяется по нему вследствие полного внутреннего отражения, если углы изгиба нити меньше 90° (рис. 7.18).

Рис. 7.18. Распространение света по световоду.

Угол 0_max зависит от коэффициентов преломления среды и покрытия или внешних и внутренних слоёв (когда показатель преломления изменяется в световоде плавно) и характеризуется числовой апертурой световода А₀

где п_с — коэффициент преломления сердцевины; п_п — коэффициент преломления покрытия.

Толщина нитей световода может колебаться от десятков мкм до долей мм. Поэтому имеется возможность через жгут, состоящий из нескольких волокон, одновременно и независимо пропускать световое излучение, имеющее разные длины волн. На торец одного световода подаётся световое излучение. Со второго конца в катетере это излучение вводится в зону, где циркулирует кровь. Это излучение, отражённое от элементов крови, попадает на торец второго световода, на другом конце которого имеется фотоприёмник. В зависимости от того, как расположены торцы световодов, будут реализовываться методы измерений, имеющие разные названия. Если свет из одного торца попадает на второй торец и среда между ними меняет величину поглощения света (абсорбцию), то используется абсорбционный спектрофотометрический метод измерения (рис. 7.19).

Если торцы световода находятся в одной плоскости, что в малогабаритном катетере технически сделать проще, то световой поток на торце световода с фотоприёмником появится только вследствие отражения светового излучения от элементов крови (рис. 7.20). В этом случае будет использоваться метод нефелометрии. Различия между методами, с точки зрения технической реализации, не очень существенны. При абсорбции и турбодиметрии источник и приёмник светового излучения находятся на одной оси. При нефелометрии (классической) источник и приёмник излучения находятся под углом 90° для того, чтобы исключить попадание на фотоприёмник излучения, прошедшего через вещество. Так как в малогабаритном катетере это выполнить тяжело, то торцы световодов часто находятся в одной плоскости. Для повышения диагностической ценности результатов измерительные операции выполняют на нескольких частотах, например при длинах волн 670, 700, 800 нм.

Рис. 7.19. Структура абсорбционного измерителя показателей.

оксигенации.

Рис. 7.20. Структура нефелометрического измерителя параметров оксигенации.

Двухчастотный датчик насыщенности крови кислородом показан на рисунке 7.21 а. В нём использовано то обстоятельство, что коэффициент отражения у гемоглобина и оксигемоглобина существенно различается при длинах волн 620…650 нм и мало различается при длинах волн 800…900 нм. Это хорошо видно из рисунка 7.21 б.

Датчик состоит из трёх световодов. По двум из них излучение от световодов с длинами волн Х_г и Х₂ подводится к анализируемой крови. По третьему отражённое от фрагментов крови излучение подводится к фотоприёмнику (фотодиоду). Вычислив отношение сигналов, полученных на частотах Х₁ и Х₂, удаётся определить показатель сатурации крови. Причём изменения чувствительности фотоприёмников и яркости излучателей (в небольших пределах) не будут вносить существенных погрешностей. Следует отметить, что вблизи введённого катетера возможно образование тромбов — переход крови из жидкого состояния в желеобразный сгусток (свёртывание крови). Это важнейшая защитная реакция организма, препятствующая кровопотере. Для уменьшения погрешностей от изменения свойств крови в результате этого процесса в измерительную зону иногда вводят антикоагулянт, устраняющий возможность её свёртывания. В качестве его обычно используют гепарин. При использовании световодов и неинвазивного метода имеется возможность измерить скорость движения крови V. В основу метода положено физическое явление, имеющее название эффект Доплера. При освещении движущегося тела лучом лазера, отражённый от него луч имеет сдвиг по частоте f_D, зависящий от его скорости. Он характеризуется уравнением:

где K_s и К₀ — волновые векторы падающего и рассеянного света; V — вектор скорости движущегося тела. При построении измерителей скорости движения крови используется структура оптической системы с опорным источником света.

Рис. 7.21. Двухчастотный датчик насыщенности крови кислородом (а) и частотная зависимость коэффициента отражения (б).

Измеряемый объект освещается через волоконно-оптический зонд. Один из возможных вариантов конструкции наконечника волоконнооптического катетера показан на рисунке 7.22. С помощью катетера также принимается отражённый от фрагментов крови сигнал (рис. 7.23).

В результате проявления эффекта Доплера он будет иметь частотный сдвиг, где X — длина волны источника излучения; 0 — угол между вектором скорости объекта и лучом. Для облегчения оценки частоты f_D, зависящей от скорости движения крови, световой поток лазера расщепляют на два пучка. Один пучок освещает объект, а другой (опорный) модулируется ультразвуковым модулятором с частотой/_м. Модулированный луч через зеркало и призму подаётся на фотоприёмник. Он имеет частоту/о +/_м.

Рис. 7.22. Конструкция наконечника волоконно-оптического катетера.

Рис. 7.23. Установка для измерения скорости крови.

Отражённый луч имеет частоту/₀ +f_D. Он также подаётся на фотоприёмник с помощью призмы. В составе выходного сигнала фотоприёмника будет присутствовать частота биений/§.

при cos 0 = 1 , f₈=f_M-f_D.

Частота биений зависит от скорости движения крови. При использовании в качестве фотоприёмника лавинного фотодиода удаётся измерять скорости движения крови от 4 см/с до 10 м/с с погрешностью менее 5%. Пространственное разрешение — 100 мкм. Этот же принцип используется при измерении скоростей газовых потоков.