Фотометрические приборы для фотоплетизмографии и пульсовой оксиметрии.
К фотоплетизмографии относят методы, основанные на оценке уровня абсорбции (степени поглощения) светового потока тканью.
Использование методов фотоплетизмографии основано на том, что, если световой поток пропускать через биологическую ткань, в которой имеются кровеносные сосуды, и оценивать значение светового потока, прошедшего через неё, поглощение (абсорбция) светового потока будет зависеть от толщины биоткани, её внутренней структуры, размеров кровеносных сосудов и характеристик источника света. При изменении размеров сосудов, пульсирующих синхронно с работой сердца, будет меняться степень поглощения светового потока, а следовательно, будет пропорционально меняться уровень сигнала, регистрируемого фотоприёмником.
В соответствии с методикой фотоплетизмографии участок тканей, в котором исследуется кровоток, располагается на пути светового потока между источником излучения и фотоприёмником:
Рисунок 2. Схема получения фотоплетизмограммы: ИП – источник питания, ИСП – источник светового потока, ФПр – фотоприёмник, У – усилитель, БОМД – блок обработки медицинских данных.
Сигнал, получаемый в этой схеме после усиления и возможно, после предварительной обработки, характеризующий изменение степени поглощения светового излучения, называют фотоплетизмограммой (ФПГ):
Рисунок 3. ФПГ артериальных сосудов: ε – коэффициент поглощения, εmin – то же в диастоле (при минимальном давлении), когда сосуды наполнены кровью меньше всего, εmax – то же в систоле (при максимальном давлении), εср – средний коэффициент поглощения
Значения εmin, εmax, εср вычисляются усреднением значений ряда пульсовых волн. Очевидно, что амплитуда регистрируемых колебаний зависит от разности давления в сосудах при систоле и диастоле. Изменения в форме ФПГ могут указывать на наличие гемодинамических нарушений на исследуемом участке русла, а это означает что фотоплетизмограмма может использоваться в клинической диагностике (например для определения частоты сердечных сокращений), для чего она может быть выведена на экран видеомонитора, на печатающее устройство или подвергнуться специальной обработке с целью получения диагностических показателей.
В практической медицине фотоплетизмографы чаще всего используются при работе на участках биообъектов, имеющих небольшую толщину.
Одним из важнейших показателей жизнедеятельности организма является содержание кислорода, переносимого кровью к каждой клетке организма. Процессы насыщения крови кислородом (оксигенация) могут регистрироваться методами инвазивной или неинвазивной спектрофотометрии. Важной характеристикой оксигенации является степень насыщения кислородом гемоглобина крови (SpO2), которая называется сатурацией крови кислородом. В основе использования фотометрических методов при определении оксигенации крови лежит измерение поглощения света, прошедшего через пробу крови, в различных спектральных диапазонах. Количественная спектрофотометрия крови основана на использовании закона Ламберта –Бера-Бугера с учётом того, что каждая из четырёх форм гемоглобина имеет свой собственный спектр поглощения. Так, осксигемоглобин (соединение кислорода с гемоглобином HbO2) имеет минимум поглощения в красной части спектра. В то же время, редуцированный гемоглобин (Hb) в этой части спектра имеет более высокон поглощение. В инфракрасной части спектра, наоборот, поглощение HbO2 становится выше поглощения Hb. Выделяются отдельные участки спектра, где оптические свойства метгемоглобина (metHb) имебт существенное отличие от других составляющих крови. Спектральная характеристика карбоксигемоглобина имеет резко падающий характер, и в ИК-диапазоне его поглощение незначительно.
Таким образом, для исследования всех четырёх фракций сатурации необходимо использовать четыре длины волны излучения.
Многолучевая спектрофотометрия проб крови используется в кровяных оксиметрах, применяемых в лабораторной практике. В клинической практике предполагают, что концентрации COHb и MetHb малы по сравнению с концентрацией остальных двух фракций, и измерения проводят на двух длинах волн света. При этом измерения абсорбции света производятся в момент систолического выброса (максимумы амплитуд сигнала фотоприёмника) для двух длин волн излучения. Для получения наибольшей чувствительности определния сатурации кислорода длины волн источников излучения выбираются в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином и гемоглобином. Этому условию удовлетворяют: красная область при длине волны 660 нм (гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин) и инфракрасная область с длиной волны 940 нм (поглощение у оксигемоглобина больше чем у гемоглобина).
При использовании рассматриваемого метода одновременно с оценкой сатурации крови находят величину ЧСС, поэтому соответсвующие приборы получили название пульсоксиметров.
Для построения датчиков пульсоксиметров используются специально разработанные безкорпусные светодиоды красного и инфракрасного диапазонов, размещённые на одной подложке для совмещения опитческих осей излучения. Эти светодиоды включаются поочерёдно, а оптические сигналы, взаимодействующие с биообъектом, регистрируются широкополосным фотоприёмником, что в определённой степени обеспечивает постоянство его чувствительности для различных длин волн.
В медицинской практике применяются два типа датчиков, которые реализуют абсорбционный и нефелометрический методы соответственно. При использовании абсорбционных методов конструкция датчиков обеспечивает регистрацию излучения светодиодов, прошедшего через ткани, при нефелометрических методах – регистрируется излучение, отражённое от исследуемых тканей. Структуры приборов пульсовой оксиметрии, использующих абсорбционные и нефелометрические методы, могут выполнятся по одной и той же схеме. Отличие заключается только в используемых датчиках.
Рассмотрим структуру типового пульсоксиметра.
Особенностью усилительного тракта является необходимость усиления сигналов фотоприёмника в достаточно большом дианамическом диапазоне входных сигналов (более 60 дБ). Это требование обусловлено значительным разбросом оптических характеристик кожи, подлежащих тканей, выраженности пульсации кровотока в месте расположения датчика у различных пациентов.
Рисунок 4. Структурная схема пульсоксиметра. ИТ – источник тока, ИИ1, ИИ2 – источники излучения, ФПр – фотоприёмник, Д – датчик, БО – биообъект, Км – коммутатор, АРУ – устройство автоматической регулировки усиления, У – усилитель, Дтк-ик – детектор красного инфракрасного излучения, ВчУ – вычислительное устройство, УсО – устройство отображения (дисплей).
Реализация требуемого динамического диапазона достигается использование ФПГ-сигнала, и источника тока, питающего светодиоды. Система АРУ поддерживает входные сигналы усилительного тракта на заданном уровне. Фотоприёмник преобразует интенсивность ослабленного тканями «красного» и «инфракрасного» излучения в электрический сигнал, поступающий в тракт излучения. Излучатели датчика включаются поочерёдно, то есть коммутируются с частотой порядка 1 кГц, что позволяет использовать для регистрации излучения один коммутируемый фотоприёмник. Далее в усилительном тракте сигналы «красного» и «инфракрасного» излучения разделяются на два канала с помощью импульсов управления коммутатора, переключающего светодиоды. В каждом канале производится измерение двух составлющих ФПГ-сигнала, обусловленных постоянной и пульсирующей состоявляющими абсорбции, необходимых для вычисления величины R и определения сатурации по её калибровачной кривой.
Вычислительное устройство пульсоксиметра содержит программное обеспечение, реализующую первичную обработку ФПГ – сигнала, алгоритмы выделения артериальных пульсаций по «красному» и «инфракрасному» каналам, вычисление отношения R и определение величины SpO2 по занесённой в память калибровочной зависимости. Кроме этого, программное обеспечение ВчУ решает задачи подавления помех, которые в пульсоксиметрии достаточно велики, и обеспечения высокой точности проводимых расчётов в соответствии с требованиями соответствующих стандартов.
Рассмотрим структурную схему датчика пульсоксиметра.
Рисунок 5. Структурная схема пульсоксиметрического датчика.
Датчик надевается на палец руки и выполнен как зажим, состоящий из двух подвижных элементов 1 и 2, соединяемых через ось 3. Надёжная фиксация на пальце обеспечивается пружиной 4. В элементе 1 установлены излучатели света, а в элементе 2 – фотоприёмник. Фаланга пальца размещается между элементами 1 и 2 так, чтобы ноготь был обращён к излучателям. К прибору датчик подключается с помощью кабеля 5 через разъём 6.