Фотометрические приборы для проведения капнометрии
Методика капнометрии заключается в измерении концентрации углекислого газа (СО2) в выдыхаемой пациентом газовой смеси. Для этой цели могут быть использованы газоанлизаторы, масс-спектрометры и инфракрасные абсорбционные фотометры. В клинической практике предпочтение отдаётся последним из-за относительно невысокой стоимости, простоты измерения, удобства эксплуатации и возможности создания портативных мониторов.
В фотометрических капнометрах используется тот факт, что в спектре поглощения СО2 в инфракрасном диапазоне имеется два максимума – при длине волны 2,7 – 2,8 и 4,3 мкм. Из них первых максимум выражен слабее и частично перекрывается спектром поглощения воды, которая в достаточно большом количестве содержится выдыхаемом газе. Поэтому на практике используется рабочая длина волны 4,3 мкм.
Датчики капнометров выполняются или по однолучевой схеме, с использование двух и более длин волн светового излучения, или по двухлучевой схеме. При однолучевой схеме измерение абсорбции ИК-излучения производится попеременно для различных длин волн (чаще всего для двух длин волн). Первая длина волны является рабочей с максимумом поглощения СО2. Вторая выбирается в области малого поглощения СО2 и используется для получения сигнала компенсации, уменьшающего погрешность сигнала компенсации, уменьшающего погрешность дрейфа датчика, а также погрешности, вызываемую присутствием в выдыхаемой газовой смеси веществ, поглощающих ИК-излучение, в частности N2O3, имеющего максимум спектра, близкий к максимуму СО2.
При двухлучевой схеме световой поток делится на две части. Одна проходит через измерительную ячейку с газом, состав которого определяется, другая пропускается через эталонную ячейку, заполненную СО2 известной концентрации. Оба сигнала подаются на один и тот же фотоприёмник с временным разделением. Таким образом, измеряемый и образцовый сигналы получают от одного источника, поступают на один фотоприёмник и проходят один и тот же измерительный тракт, что позволяет на аппаратном уровне существенно снизить влияние помех на искомый результат. Для уменьшения влияния на точность измерений других примесей в газе можно использовать несколько длин волн, как в случае применения однолучевой схемы датчика.
Измерение светопоглощения производится в измерительных камерах капнометров, куда поступает выдыхаемая газовая смесь. В медицинской практике используются два подхода к заполнению измерительной ячейки выдыхаемым воздухом.
В первом варианте используется пробоотбор выдыхаемого воздуха из дыхательного контура пациента аспирации газа в измерительную кювету.
Во втором варианте, использующем основной поток газа, датчик устанавливается в эндотрахеальной трубке, находящейся непосредственно в дыхательном контуре пациента.
Рассмотрим схему реализации первого варианта:
Рисунок 6. Структурная схема капнометра с проботбором из дыхательного контура пациента.
Выдыхаемый в загубник патрубок воздух по пробоотборной трубке подаётся в измерительную камеру (ИзК). При движении газа по трубке в ней возникает конденсат, поскольку температура выдыхаемого воздуха (37°С) выше температуры воздуха, окружающего трубку. Кроме того, например при искусственной вентиляции лёгких, выдыхаемый воздух поддерживается тёплым и влажным, что также увеличивает конденсат. Для уменьшения эффекта конденсирования на входе прибора устанавливается специальная ловушка для влажного конденсата (водосборник. Измерительную ячейку необходимо надёжно изолировать от проникновения водяных паров, поскольку их присутствие в анализируемой пробе газа будет вносить дополнительные погрешности в результат измерений.
Наличие тонкой трубки приводит к задержке в пробоотборе, которая зависит от объёма соединительной трубки и скорости пробоотбора. На практике скорость проботбора устанавливается в пределах 50…150 мл/мин. При длине соединительной трубки 1,5…2,0 м и диаметре трубки около 1 мм время отклика прибора составляет около 1 с.
Проба анализируемого газа прокачивается через измерительную камеру насосом (Н) и после измерения может быть выпущена в атмосферу или с помощью выводной трубки возвращена в дыхательный контур. Возврат газа необходим при использовании закрытого дыхательного контура или решении задачи точной оценки метаболического объёма газа.
Излучающий светодиод (СД), питаемый от стабилизированного источника напряжения (СИН), селективный фильтр (СлФ) и светоприёмник (СП) конструктивно выполняют как единое целое и представляют собой измерительную ячейку капнометра. Информация с СП оцифровывается и поступает в микроконтроллер (МК) с соответствующим внешним обрамлением, в который входят монитор (М), клавиатура (Кв) и блок тревожной сигнализации (БС).
Приборы реализующие второй вариант носят название проточные капнометры, как следует из названия они работают без непосредственного пробоотбора. Скорость поступления анализируемого газа определяется скоростью выдоха пациента. Для защиты измерительной цепи от воды, содержащейся в выдыхаемом воздухе, измерительная ячейка с датчиком нагревается до температуры 40° С, что предотвращает конденсацию воды на стенках измерительной камеры. При таких конструкциях датчика измерения абсорбции чаще всего выполняются по однолучевой схеме на двух длинах волн.
Рисунок 7. Структурная схема капнометра с поточной измерительной камерой.
В этой схеме транспортное запаздывание и насос отсутствуют, но возникают проблемы точной установки камеры на тройнике пациента, размещение блоков в непосредственной близости от пациентов и конденсации влаги на разделительных окнах.
Рассмотренные схемы капнометров используются в дыхательных мониторах, работающих самостоятельно или совместно с аппаратурой искусственной вентиляции лёгких.
Рассмотрим схему реализации автономного капнометра с индикацией регистрируемой капнограммы на экране дисплея.
Рисунок. 8. Структурная схема автономного капнометра.
В этой схеме роль ловушки влаги выполняет стакан (Ст), устанавливаемый вертикально. В верхней крышке стакакна размещены патрубки ввода и вывода пробы газа. Влага, конденсирующаяся в соединительной трубке, стекает на дно стакана. Из второго патрубка газ поступает в измерительную ячейку (ИЯ). В составе выдыхаемого газа имеется вязкий компонент, который, налипая на стенках патрубков, сужает их пропускное отверстие и снижает давление в контуре. Величина давления дыхательного газа регистрируется датчиком давления (ДД) и анализируется микропроцессором (МП). При снижении давления ниже порога МП включает второй клапан отсоса (Кл2), что приводит к отсосу газа из стакана ловушки газа. После этого измерительная ячейка продувается струёй воздуха, поступающего через открытый клапан (Кл1) в направлении, обратном рабочему ходу газа.
Анализируемый газ из стакана ловушки проходит через измерительную ячейку, буфер давления (БД), насос (Н) и поступает на выходной патрубок капнометра. Датчик прибора выполнен по двухлучевой компенсационной схеме. Свет излучателя (И) разделяется на два луча. Один луч проходит через измерительную ячейку и поступает на фотоприёмник (ФПр). Другой луч проходит через компенсационную ячейку (КЯ), заполненную газом с известной концентрацией СО2, и попадает на тот же ФПр. Импульсное поочередное включение ИЯ и КЯ осуществляется коммутатором (Км). Сигнал с фотоприёмника усиливается усилителем (У).
В состав микропроцессора (МП) входит система портов ввода-вывода и аналогово-цифровой преобразователь. Микропроцессор распознаёт сигналы, поступающие с измерительного и компенсационного каналов, выполняет процедуры обработки сигналов, осуществляет компенсацию погрешностей, связанных с нестабильностью источника излучения, дрейфом датчика и усилителя и температурным дрейфом, определяет текущую величина содержания СО2, выводит информацию на монитор (М).
Рассмотрим типовую капнограмму, выводимую на экран монитора:
Рисунок 9. Капнограмма дыхательного цикла
В начале выдоха (т. В) содержание СО2 близко к нулю, поскольку в это время поступает порция свежего воздуха, оставшаяся от предыдущего вдоха в аналитическом «мёртвом» пространстве. Затем в «мёртвое» пространство поступает альвеолярный газ и концентрация СО2 повышается. Когда альвеолярный газ заполнит всё «мёртвое» пространство, рост концентрации СО2 замедляется (т. С) и образуется альвеолярное плаото (СD). По завершению выдоха и в начале притока свежего воздуха за счёт вдоха концентрация СО2 падает (DE).
Установка нуля прибора осуществляется включением клапанов Кл1 и Кл 2, что обеспечивает «прокачку» комнатного воздуха (СО2 = 0,5%) через измерительную ячейку в обратном направлении. Градуировка и поверка прибора осуществляется с помощью проб газов с калиброванной концентрацией СО2. При этом градуировка капнометров осуществляется либо в единицах парциального давления СО2 (0…99 мм рт. ст.), либо в единицах объёмной концентрации (0…10%). Точность составляют единицы процентов.
В современных приборах реализуется возможность мультигазового измерения (концентрации углекислого газа, кислорода, закиси азота, паров анестезирующих веществ во вдыхаемой и выдыхаемой смеси). Основной подход к построению мультигазовых капнометров основан на том, что анализируемые газы и пары имеют значительно различающиеся спектры поглощения инфракрасного света, причём двухатомные газы, в том числе доминирующие в дыхательных смесях кислород и азот инфракрасное излучение вообще на поглощают.
1 В данном случае интенисивность и поток фактически идентичны – т. к. для монохроматичного излучения постоянной мощности интенсивность эквивалентна плотности светового потока, а площадь поверхности очевидным образом сокращается..