Основой метода оксиметрии является закон Бугера-Ламберта-Бера и спектры поглощения различных компонент гемоглобина. Этот закон определяет количественную оценку поглощения света. Такой оценкой является оптическая плотность

,

где - интенсивность падающего света; - интенсивность прошедшего света; - коэффициент экстинкции (поглощения); - концентрация растворенного вещества; - толщина слоя.

Следует отметить, что этот закон строго справедлив только для монохроматического света и растворов. Поэтому в реальном объекте неточное выполнение закона приводит к дополнительным погрешностям. Уменьшить суммарную погрешность можно за счет специальной градуировки прибора.

Суммарное поглощение смеси веществ определяется как сумма поглощений компонент. Это позволило применить следующую модель объекта исследования при измерении насыщения крови методом пульсовой оксиметрии. Суммарное поглощение света каждой длины волны определяется компонентами HbR, HbO₂ и тканями. Используя пульсовую составляющую крови, можно записать дополнительно два уравнения для различных моментов времени. При этом система уравнений для пульсовой оксиметрии будет выглядеть следующим образом:

, (2)

где , - интенсивность падающего красного и инфракрасного света; , , , - интенсивность прошедшего света для красного (л₁) и инфракрасного (л₂) света для двух различных моментов времени, например, в точках минимального и максимального значения плетизмограммы соответственно; , , , - коэффициенты экстинкции для HbR, HbO₂ и для двух длин волн л₁=660 нм и л₂=800 нм; , - концентрация соответственно HbR, HbO₂; d_1, d₂, d - толщина слоя HbR и HbO₂ при максимуме и минимуме пульсовой и для всех остальных тканей (без учета крови).

Необходимо решить систему уравнений (2) для нахождения зависимости

.

Система уравнений (2), как показано в [], однозначно разрешима относительно SpO₂ с учетом того, что величины Д=d₁-d₂ для красного и инфракрасного света одинаковы:

, (3)

где , , i=1,2.

Выражение (3) и есть главная функциональная зависимость, которая лежит в основе работы всех пульсовых оксиметров. Пульсовой оксиметр измеряет с возможно большей точностью величину R, затем ставит в соответствие измеренному значению R величину SpO₂ по градуировочной характеристике, заложенной в память прибора в виде функции или таблицы. Точность измерения пульсовым оксиметром SpO₂ и частоты пульса зависит от качества разработки и изготовления усилительного тракта, включающего первичный измерительный преобразователь, от алгоритма обработки сигнала и от градуировочной характеристики.

Пульсовая оксигемометрия имеет ряд недостатков, главным из которых является невозможность определения абсолютных значений оксигенации, особенно при использовании окклюзионных методов.

Решить эти сложности можно с помощью двухлучевого метода фотометрических исследований, основанного на использовании двух каналов в первичном измерительном преобразователе с совмещенными потоками излучения (пульсовой оксиметр относится к однолучевым фотометрическим приборам).

Рис. 8. Структурная схема двухлучевого ОЭИП с совмещенными потоками

Лучистый поток от источника излучения ИИ падает на объект исследования и после взаимодействия с ним одна часть отраженного потока поступает на первый фотоприемник ФП1, а другая часть потока попадает на второй фотоприемник ФП2, дальний от источника излучения, причем поток, падающий на второй фотоприемник, будет ослаблен больше, чем поток, падающий на первый фотоприемник, поскольку второй фотоприемник расположен на большем расстоянии от источника излучения, чем первый.

Для двухлучевого оксиметра можно составить четыре уравнения, подобные уравнениям пульсового оксиметра:

, (4)

где , - интенсивность падающего красного и инфракрасного света; , , , - интенсивность прошедшего света для красного (л₁) и инфракрасного (л₂) спектральных диапазонов, который поступает на два фотоприемника - компенсационного 1 и аналитического 2 каналов; l₁, l₂ - расстояние между излучателем и фотоприемниками 1 и 2; остальные обозначения те же, что и в системе уравнений (3) для пульсового оксиметра.

Полученная система уравнений (4) позволяет без привязки к пульсовым колебаниям уровня кровенаполнения сосудов получить величину SaO₂ по традиционному соотношению [13]:

,

где , - оптические плотности на двух длинах волн, а M, N - постоянные коэффициенты для выбранных длин волн.

Выходной сигнал устройства первичной обработки будет характеризовать оптическое свойство исследуемой среды и этот сигнал не зависит от исходного потока, а определяется отношением коэффициентов экстинкции, которое отражает оптическое свойство среды на участке между фотоприемниками. Такая оптическая структура преобразователя дает возможность сформировать по электрическим сигналам фотоприемников на каждой длине волны два уравнения, позволяющих вычислить искомое оптическое свойство без привязки к пульсовым колебаниям, хотя пульсовые колебания могут быть получены по анализу частотных характеристик сигналов. Постоянство расстояния между фотоприемниками служит основой метрологического обеспечения измерений оптических свойств и, следовательно, степени насыщения гемоглобина крови кислородом.

«Двухцветные» оксигемометры обеспечивают проведение одного измерения в одной из изобестических точек гемоглобина (чаще всего около 805 нм), в которой поглощение (отражение) окисленной и восстановленной форм одинаково, а другого - в точке максимальной разницы между поглощением (отражением) гемоглобина и оксигемоглобина. Благодаря этому точность определения степени оксигенации гемоглобина с помощью «двухцветных» приборов выше, чем в случае «одноцветных». При регистрации прошедшего через кровь излучения используется соотношение

В_пр = а - в ф _л, 1,2

где а и в-постоянные коэффициенты; ф _л,1,2 =Ф_пр(л₂)/Ф_пр(л₁) - относительный коэффициент пропускания; Ф_пр(л₁), Ф_пр(л₂)-

интенсивности пропущенных кровью потоков на длинах волн л₁ и л₂. Для рассеянного кровью излучения степень насыщения определяется с помощью другого соотношения:

В_р = а' - в'с ф _л,1,2,

где с _л,1,2 = Ф_от(л₂)/Ф_от(л₁) - относительный коэффициент отражения; Ф_от(л₂), Ф_от(л₁) - интенсивности отражённых кровью потоков на длинах волн л₁ и л₂

Методы исследования оптических свойств биологических тканей разделяют по виду регистрируемого после взаимодействия лучистого потока (в проходящем, отраженном потоках), по числу спектральных диапазонов (одноволновые, двухволновые, колориметрические, спектральные), по способу канализации лучистой энергии от источника к исследуемому участку ткани и от него к ФЭП, по числу потоков энергии (однолучевые и двухлучевые). Выбор схемы измерений определяется исследуемым оптическим свойством ткани и расположением исследуемого участка. [9]

3. Задача моделирования оксигемометрического комплекса

3.1 Что такое LabVIEW

В моей выпускной квалификационной работе поставлена задача моделирования фотооксигемометрического комплекса, которую было решено реализовать с использованием программного пакета графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). Выбор был сделан в пользу данного программного продукта, в связи с тем, что при своей подобности средам языков C и BASIC, он выгодно отличается наглядностью создаваемых программ, а также наличием обширной библиотеки функций и процедур, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерения, сбора и обработки данных. Кроме того, LabVIEW включает традиционные средства разработки и отладки программ, облегчающие их разработку: введение точки останова, «оживление» выполнения для просмотра движения данных, пошаговый режим отладки. А также используются наиболее перспективные технологии автоматизации проектирования и сопровождения программных систем: объектно-ориентированный подход и потоковое программирование, принципы модульности и иерархии, использование языка визуального (графического) программирования, что позволяет создавать программы в виде наглядных диаграмм.

В основе создания языка LabVIEW положена концепция виртуального инструмента, которая является перспективным направлением в области автоматизации научного, промышленного эксперимента и управления технологическими процессами.

Виртуальный инструмент (ВИ) - это набор аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально для него разработанным обычным электронным прибором.

ВИ имеет три основные особенности:

ВИ имеет интерактивный интерфейс пользователя, названный передняя панель, поскольку он имитирует панель физического инструмента. Передняя панель может содержать графические изображения кнопок, клавиш, графических устройств, регуляторов и других органов управления и индикации. Возможен ввод данных мышью и с помощью клавиатуры и наблюдение за результатом на экране компьютера.

ВИ получает инструкции из блок-диаграммы, которая создается на языке графического программирования. Блок-диаграмма представляет графическое решение задачи программирования, являясь при этом исходным «текстом» для ВИ.

ВИ имеет иерархическую и модульную структуру. Это позволяет использовать любой ВИ как программу верхнего уровня, или как подпрограмму внутри других программ или подпрограмм. ВИ, функционирующий внутри другого ВИ, называется субВИ.

3.2 Описание полученной модели

Нами на данном этапе разработан программный продукт, с помощью которого путем нахождения отношения сигналов, которыми являются смоделированные пульсовые кривые, это отношение моделирует вышеописанные фотометрические параметры H(), характеризующие оптическое свойство исследуемой среды, а в результате второго деления находится комплексный показатель 1=H(1)/H(2).

Дополнительно в модели произведен учет помехи, которой в реальности соответствует так называемая - фоновая засветка. Помеха сформирована в виде синусоиды с меняющейся от периода к периоду амплитудой, ее изменения происходят случайным образом в задаваемом диапазоне, который можно варьировать на усмотрение пользователя. Таким образом, можно набирать статистику, с помощью которой возможно выяснить пределы измерения с определенной погрешностью… установить сигнал при помехе превышающей допустимый уровень и многое другое…

Результатом работы программы на данный момент является формирование таблицы данных показателя и вывод семейства графиков:

графики 4 генерируемы сигналов (signal1, signal2, signal3, signal4);

график моделируемой прибавляемой помехи (noise+);

график моделируемой вычитаемой помехи (noise -);

график сигнал + помеха (signal + noise);

график сигнал + помеха - помеха (signal + noise - noise)

график комплексного показателя ;

В будущем возможна организация подсоединения датчиков непосредственно к компьютеру, т.е. вместо моделированных сигналов можно будет обрабатывать реальные, тем самым можно будет выйти на решение проблем настройки, а возможно и калибровки прибора.

Заключение

При интерпретации результатов исследований необходимо учитывать, что живой организм необычайно сложен. Состояние биологического объекта характеризуется параметрами физиологических процессов и медико-биологических показателей, число которых окончательно не установлено. Эти параметры и показатели неоднозначно определяют состояние, а большое число затрудняет (чаще исключает) возможность их одновременного фиксирования. Поэтому, выполнив процедуру измерения, можно оценить лишь вероятность того или иного состояния. Невозможно также однозначно предсказать результат внешних управляющих воздействий. Неоднозначность реакции на одни и те же внешние воздействия указывает на нестационарность самих объектов. Интерпретация получаемых результатов затрудняется еще и потому, что разного рода патологические явления, возникающие в тех или иных системах организма (например, в органах и тканях человека), могут рефлекторно влиять на другие процессы, в которых патология отсутствует, и искажать результат измерения.

Фотометрические приборы и системы предназначены для определения фотометрических параметров (ФП) и медико-биологических показателей, связанных с ФП функциональными (часто нелинейными) зависимостями, в итоге характеризующих жизнедеятельность организма. Поэтому при оценке информативности измеряемых параметров приходится считаться с непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно воздействующих на биообъект.

Полный и точный учет самих факторов и результатов их воздействия не представляется возможным. Особую роль при исследовании высших биологических объектов играют психофизиологические факторы, значительно искажающие результаты исследований. Затруднено также получение точных математических зависимостей между регистрируемыми параметрами и соответствующими им медико-биологическими показателями, так как еще недостаточно изучены сами системы и не разработан адекватный математический аппарат, пригодный для их описания.

Индивидуальный разброс фотометрических параметров, их внутригрупповая изменчивость приводят к необходимости фиксировать и оговаривать группу исследуемых объектов, учет генетических эффектов - вводить возрастные группы для исследований одних и тех же проявлений, а наличие большого числа механизмов регуляции с разными постоянными времени регулирования - контролировать продолжительность экспериментов. Для получения достоверных результатов требуется собирать и обрабатывать огромный статистический материал, получение которого связано со значительными затратами времени и труда на исследования и обработку результатов.

Фотометрические исследования биологических объектов целесообразно проводить в условиях их реального существования, без ограничения подвижности. Закон поведения организма в большинстве случаев заранее неизвестен;

Сложность проведения фотометрических исследований связана и с тем, что измерительная информация в общем случае заключена в различных потоках излучения (отраженном, рассеянном, поглощенном, люминесцентном и т.д.) разных спектральных диапазонов; диапазон изменения интенсивности регистрируемых потоков, как и диапазон возможных значений фотометрических параметров, очень широк при относительно высоком уровне шумов как за счет работы других подсистем организма (внутренние шумы), так и за счет наводимых из внешней среды (внешние шумы); частотный спектр выходных сигналов обычно достаточно широк: от области инфранизких частот до сотен герц и более.

Роль аппаратных средств при выполнении клинико-диагностических исследований трудно переоценить. От клинико-физиологических и клинико-лабораторных анализов в большой мере зависят правильность постановки диагноза заболевания и успех лечебных воздействий, своевременное проведение профилактических мероприятий и сокращение времени реабилитации, качество курортных и бальнеологических процедур, своевременность санитарно-эпидемиологического контроля и т.д. Среди разнообразных физических и физико-химических методов исследования, широко используемых в клинической практике, фотометрические методы занимают одно из ведущих мест.

За последние несколько лет во всех высокоразвитых странах были приняты «Стандарты интраоперационного мониторинга», обязательные для выполнения при любом виде анестезиологического пособия. Основным прибором «Стандартов» стал пульсовой оксиметр (ПО) - прибор для неинвазивного непрерывного определения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом (SaO₂) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) с возможностью визуальной оценки величины и формы периферической плетизмограммы. Популярность ПО в основном связана с тем, что они просты и удобны в обращении, портативны, безопасны для больного и врача, не требуют предварительной калибровки, быстро после подключения начинают измерение и информация, получаемая с их помощью, достаточна для быстрой оценки изменений вентиляции и гемодинамики. Наличие у большинства ПО звуковой и световой сигнализации, срабатывающей при выходе значений за установленные вручную или автоматически пределы, повышает безопасность пациента, а возможность запоминания информации позволяет оценить динамику сатурации частоты пульса и амплитуды плетизмограммы.

Список литературы

Крепс Е.М. Оксигемометрия Л. 1959 г. С. 222

(http://rhl.mega.ru/doc001.htm) (Левитэ Е.М. (анестезиолога профессор кафедры анестезиологии и реаниматолигии ММСИ, доктор медицинских наук) ГКБ №33 (гл. врач к.м.н. Колобов С.В.), Москва)

Палеев Н.Р., Каевицер И.М. Атлас гемодинамических исследований в клинике внутренних болезней (бескровный метод) М., Медицина, 1975, 240 с.

Инструментальные методы исследования сердечно - сосудистой системы (справочник). Под ред. Т.С. Виноградовой. - М.: Медицина, 1986. - 416 с.

Чигирев Б.И. Методы медико-биологических исследований, Ленинград, РИО ЛЭТИ, 1982.

Мошкевич Виктор Семенович. Фотоплетизмография. (Аппаратура и методы исследования). М. Медицина, 1970. - 208 с.

Орлов В.В. Плетизмография. (Методы и применение в экспериментальных и клинических исследованиях). М-Л., АН СССР, 1961, 254 с. (Ин-т физиологии им. И.П. Павлова).

Е.П. Попечителев, Б.И. Чигирев. Двухлучевые фотометрические системы для клинико-физиологических исследований: Учеб. пособие. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1991. - 224 с.

«Ackerman S., Weith P. Knowing Your Pulse Oximetry Monitors // Med. Elektrik. - 1995. - №1.-Р.82-86.»

Волков В.Я., Иванов В.П., Стерлин Ю.Г. Пульсовая оксиметрия: достижения и перспективы // Мед. Техника, 1993, №4, стр. 27-31.

Волков В.Я., Гладков Ю.М., Завадский В.К., Иванов В.П. Принципы и алгоритмы определения оксигенации крови по изменениям пульсоксиметра. // Мед. Техника, 1993, №1, стр. 16-21.

Кузнецова С.Н., Чигирев Б.И. Неивазивный метод пульсовой и традиционной фотооксиметрии // Известия ГЭТУ, 1996, вып. 491, стр. 55-58.

Кузьмич В.В., Жаров В.П. Основные принципы и особенности транскутанной «отражательной'' оксиметрии // Мед. Техника, 1993, №3, стр. 36-42.

Леонов Г.Н., Филипповский В.В., Мусийчук Ю.И., Свидлер В.Н., Карпов А.В., Баркан М.В. Неинвазивное определение оксигемоглобина в артериальной крови. // Мед. Техника, 1992, №5, стр. 12-14.

Перов С.Н., Коротков Н.П., Куземко В.В., Захаров С.Д., Симанов В.А. Принципы оптической оксигемометрии в системах экстракорпорального кровообращения // Мед. Техника, 1992, №5, стр. 18-21.

Стерлин Ю.Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров // Мед. Техника, 1993, №6, стр. 26-30.

Размещено на Allbest.ru