Методы оптической неинвазивной оксиметрии

Как было ранее отмечено (параграф 1.3), при развитии микроциркуляторных нарушений у пациентов с РЗ наблюдается дисбаланс концентраций основных хро­мофоров кожи (оксигемоглобина и дезоксигемоглобина), который в совокупности с микроциркуляторными нарушениями приводит к гипоксии, отёку тканей и появ­лению некробиотических процессов.

Для контроля кислородного режима тканей в настоящее время наибольшее распространение получили непрямые методы измерений, к которым относят ме­тоды оптической неинвазивной оксиметрии - оптической тканевой оксиметрии (ОТО) и пульсоксиметрии (ПО) [101]. В основе данных методов лежит спектрофо­тометрический способ оценки количества гемоглобина в крови, абсорбционные свойства которого меняются в зависимости от его связи с кислородом [102]. На ри­сунке 1.22 представлены спектры поглощения гемоглобина (НЬ) и оксигемогло­бина (HbO₂)гемолизированной крови [103].

Рисунок 1.22 - Спектры поглощения гемоглобина (НЬ) и оксигемоглобина (HbO₂) гемолизированной крови

Как видно из представленного спектра, поглощение НЬ и HbO₂на длинах волн 340 нм, 410 нм, 430 нм, 450 нм, 500 нм, 569 нм, 586 нм, 805 нм одинаково. Результаты измерения на данных длинах волн используются в качестве реперных значений, когда необходимо исключить разницу в измерениях в связи с различиями в пропускании света венозной и артериальной крови, так называемые изобестиче- ские точки [104]. На длинах волн 470 нм, 670 нм и 980 нм наблюдаются наибольшие различия в коэффициентах поглощения для данных форм гемоглобина.

В настоящее время при реализации методов оптической неинвазивной окси­метрии измерение параметров оксигенации осуществляется двумя способами - в прошедшем и отражённом свете. В первом способе параметры оксигенации опре­деляются путём анализа прошедшего через ткань излучения, при этом источник и приёмник излучения располагаются на противоположных друг другу сторонах (ри­сунок 1.23а).

Рисунок 1.23 - Схемы реализации методов оптической неинвазивной оксиметрии в прошедшем (а) и отражённом (б) свете [105], где 1 - источник света,

2 - исследуемый орган, 3 - оптическое волокно, 4 - приёмный оптический жгут,

5 - блок регистрации излучения, 6 - блок электроники, 7 - компьютер

Стоит отметить, что выбор способа реализации определяется не только зада­чами исследования, но и конструктивными особенностями реализующих данные способы датчиков. Регистрация параметров оксигенации в прошедшем свете при­меняется при проведении исследований на областях, которые имеют значительно небольшую толщину и размер - палец, мочка уха, крыло носа. Способ реализации в отражённом свете является универсальным, так как позволяет проводить иссле­дования на таких частях тела, как верхние и нижние конечности, грудь, лоб. Как показывает обзор существующих приборов, реализующих методы ОТО и ПО, ре­гистрация параметров оксигенации ткани методом ОТО наиболее часто реализу­ется в отражённом свете, при этом для метода ПО характерна регистрация парамет­ров в прошедшем свете.

Несмотря на то, что в основе методов ОТО и ПО лежит единый принцип, ос­нованный на анализе абсорбционных свойств гемоглобина, как уже отмечалось выше, данные методы имеют свои особенности реализации и позволяют получить разную диагностическую информацию о параметрах оксигенации биоткани.

Метод ОТО включает в себя две основные методики: оптическую отража­тельную спектроскопию и околоинфракрасную спектроскопию [101]. Принцип данных методик заключается в зондировании ткани оптическим излучением на длинах волн видимого (менее 700 нм) и инфракрасного диапазона (700-1300 нм) и регистрации обратного излучения фотоприёмником. Стоит отметить, что ограни­чение спектрального диапазона длиной волны 1300 нм объясняется абсорбцион­ными свойствами, находящимися в биотканях молекул воды.

Поскольку в данной области локализованы венулы, артериолы, капилляры, имеющие разное процентное содержание оксигемоглобина циркулирующей в них крови, то регистрируемый сигнал представляет собой значение, которое получа­ется в результате усреднения по всему диагностическому объёму, в этом случае

говорят о сатурации смешанной крови. Данный параметр называется тканевой са­турацией и может быть представлен как:

где- молярная концентрация оксигемоглобина;

- молярная концентрация гемоглобина.

Рисунок 1.24 - Сплетение микрососудистого русла и диагностический

объём в ОТО

Кроме функциональной тканевой сатурации в методе ОТО исследуется также объёмное кровенаполнение биоткани, которое определяется по формуле: где- молярная концентрация других фракций гемоглобина.

Данный параметр определяет в процентах долю фракций оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина (доля фракций крови) в диагностируемом объёме биоткани. При интерпретации результатов измерения данного параметра

стоит учитывать тот факт, что вклад кровенаполнения микроциркуляторного русла биоткани в суммарный оптический сигнал от ткани в общем случае зависит от соб­ственного объёма циркулирующей в зоне обследования крови и от степени раскры­тия поверхностных сосудов.

На рисунках 1.25 представлен пример регистрации тканевой сатурации (1.25а) и уровня объёмного кровенаполнения (1.25б) с кожи волярной поверхности (подушечки) дистальной фаланги среднего пальца кисти правой руки условно здо­рового добровольца с применением комплекса «ЛАКК-М» (ООО НПП «ЛАЗМА», Россия).

а)

б)

Рисунок 1.25 - Пример регистрации тканевой сатурации (а) и уровня объёмного кровенаполнения (б) с кожи волярной поверхности (подушечки) дистальной фа­ланги среднего пальца кисти правой руки условно здорового добровольца

Стоит также отметить, что при проведении исследований методом ОТО сле­дует оценивать не только средние значения показателей S_tO₂и V_b,но и, как в случае реализации метода ЛДФ, осцилляторные характеристики (рисунок 1.26) [15].

а)

б)

Рисунок 1.26 - Амплитудно-частотный спектр ОТО-сигнала (S_tO₂и V_b)для ранее

приведённых примеров (рисунок 1.25)

Применение метода ПО позволяет оценить степень насыщения кислородом артериальной крови [15, 107].

57 сужение сосудов, амплитуда сигнала на выходе фотоприёмника носит колебатель­ный характер. При этом регистрируемый сигнал имеет две составляющие - посто­янную и переменную (рисунок 1.27) [108].

Рисунок 1.27 - Составляющие сигнала ПО

Постоянная составляющая определяется оптическими свойствами кожи, ве­нозной и капиллярной крови и других тканей исследуемой области. Переменная составляющая формируется в результате изменения артериального кровотока и объёма артериальной крови во время сердечных сокращений.

Для определения артериальной сатурации методом ПО применяется мето­дика двухлучевой спектрофотометрии. Данная методика осуществляется путём ис­пользования источников излучения на двух длинах волн в инфракрасном (940 нм) и красном (660 нм) диапазонах и измерения отражённого или прошедшего ткань света в моменты максимума амплитуды сигнала датчика (моменты систолы).

Выбор данных длин волн определяется поглощающими свойствами оксиге­нированного и дезоксигенированного гемоглобина. На длине волны 660 нм (рису­нок 1.22) НЬ по сравнению с HbO₂поглощает свет примерно в 10 раз больше, а на

58 длине волны 940 нм поглощение света HbO₂становится больше. Измеряя разницу между количеством света, абсорбируемым во время систолы и диастолы, опреде­ляется величина артериальной пульсации. Оценка параметра артериальной сатура­ции данным методом позволяет отстроиться от большинства фоновых помех и не учитывать оптические свойства других попадающих в зону обследования клеточ­ных мягких тканей и жидкостей. При этом процент HbO₂определяется только в той части крови, которая превышает уровень кровенаполнения органа.

Таким образом, применение методов ОТО и ПО позволяет получить инфор­мацию о сатурации смешанной и артериальной крови, а также об общем кровена­полнении тканей, что является важным при оценке транспорта газов кровью и тка­невом дыхании микроциркуляторного русла при выявлении сопутствующих мик- роциркуляторным нарушениям осложнений.

1.9