close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Berdnikov.2004гггг

код для вставкиСкачать
Министерство образования Российской Федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА А.В. БЕРДНИКОВ, М.В. СЕМКО, Ю.А. ШИРОКОВА МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ, АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ Часть I. "ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ"
Учебное пособие Казань 2004 2
УДК 76.13.25; 681.2 А.В. Бердников, М.В. Семко, Ю.А. Широкова Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы. Часть I. Технические методы и аппараты для экспресс-диагностики: Учебное пособие / Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 176 c. ISBN Рассмотрены нестандартные диагностические методики, аппаратные и алгоритмические средства. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Биотех-
нические и медицинские аппараты и системы" при изучении дисциплин "Ме-
дицинские аппараты системы и комплексы" ОПД. Ф. 11 и "Узлы и элементы медицинской техники" СД.04. Рецензенты: докт. техн. наук проф. И.И. Исмагилов Казанский институт (филиал РГТЭУ) докт. мед. наук, проф. Е.И.Сигал Казанская
государственная медицинская академия, Клинический онкологический центр МЗ РТ 3
Содержание Введение………………………………………………………………..
I Фотометрические методы в экспресс-диагностике ………………. 1.Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности приперитоните…………………………………………………… 1.1.Введение в проблему диагностики перитонита……………….. 1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операцион-
ного поля в процессе санирования……………….…………………… 6 8 8 8 13 1.3. Методы и технические средства измерения отражения от различных объектов, в том числе биологической природы….
17 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины………… 17 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового по-
тока с исследуемой биофизической средой……………. 18 1.3.3. Отражение света……………………………………………. 23 1.3.4. Простая шероховатая поверхность……………………….. 27 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измери-
тельного устройства……………………………………………. 28 1.4.1. Типовые функциональные узлы фотометрических ИП…. 33 2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей…………
37 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов……. 37 2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм аг-
регации эритроцитов…………………………………………… 41 2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов……………… 43 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капил-
ляре……………………………………………………………… 48 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов……………………………………………………. 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ………………………….. 51 51 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в ди-
намике………………………………………………………. 53 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрега-
ционных свойств клеток крови…………………………………
56 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ…………….57 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микро-
скопическом наблюдении………………………………….. 2.6.3.Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови………………………………………………………….
61 61 2.7. Методы измерения реологических свойств крови……………..64 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ………………. 65 3. Фотоплетизмография……………………………………………… 69 4
3.1. Введение в фотоплетизмографию…………………………….. 69 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа…. 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем ……. 73 73 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода………………………………………. II Электро-контактные методы 1. Реоэнцефалография 1.1. Теоретические основы реоэнцефалографии. Особенности кровообращения в головном мозге………………………….. 1.2. Механизмы формирования реоэнцефалограммы…………… 1.3. Аспекты применения реоэнцефалографии для оценки
моз-
гового кровообращения……………………………………… 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии……. 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы…………….. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений…………………………………………… 81 86 88 91 93 95 98 2. Векторкардиография 2.1. Теоретические основы электро- и векторкардиографии………
2.1.1. Биоэлектрические явления в сердечной мышце………….. 2.1.2. Дипольная концепция электрической активности сердца 2.1.3. Проводящая система сердца……………………………… 2.1.4. Понятие об электрической оси сердца…………………... 2.2. Основные принципы метода векторкардиографии………….. 2.2.1. Скалярное представление векторкардиограммы…………. 2.2.2. Векторное представление векторкардиограммы…………. 2.3. Применение метода линейного синтеза стандартных отведе-
ний из ортогональных отведений векторкардиографии……… 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортого-
нальных……………………………………………………. 103
103
104
106
108
109
110
112
114
117
3. Искусственная вентиляция легких
118
3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности……… 119
3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недоста-
точности…………………………………………………….
120
3.1.2.Клинические признаки острой дыхательной недостаточ-
ности………………………………………….. 122
3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиля-
ции легких……………………………………………………… 122
3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания… 123
3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической сти-
муляции диафрагмального дыхания…………………….. 123
3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П………………………… 126
5
3.4. Использование реографических методов для оценки интен-
сивности дыхания………………………………………………. 127
III Электрохимические методы 1. Определение показателя кислотности в желудке и двенадца-
типерстной кишке…………………………………………………… 1.1. Постановка проблемы измерения рН……………………….. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ…………. 1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электромет-
рической рН-метрии (рН-зондирование)…………………… 1.3.1. Показания и
противопоказания при зондировании……….. 1.3.2. pН - метрические зонды…………………………………….. 1.4. Регистрирующие приборы для рН-метрии…………………. 2. Гемодиализатор 129
129
131
133
134
134
138
2.1. Анализ проблем и задач при проектировании аппарата для проведения гемодиализа…………………………………….. 2.1.1. Исследование объекта лечения……………………………… 2.1.2. Основные заболевания почек………………………………... 2.2. Методы искусственного очищения крови. ………………… 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксика-
ции…………………………………………………………….. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации……………….. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиа-
лиза……………………………………………………………. 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга…….. 2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств…. 2.5.2. Типы биосенсоров мочевины……………………………. 140
140
143
144
147
147
156
156
158
162
3. Газовый анализатор 3.1. Исследование физико-химического состава содержимого брюшной полости……………………………………………. 3.2. Обзор принципов и схем
обработки данных………………. 3.3. Выбор типов первичных преобразователей……………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………. ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….. 166
166
168
169
173
174
6
Введение Процесс подготовки творчески мыслящего инженера, связанного с об-
ластью биомедицинского электронного приборостроения, невозможен без воспитания и развития у него в студенческие годы интереса к самостоя-
тельной исследовательской деятельности. Именно поэтому в последние годы во всех руководящих документах высших учебных заведений ей уделяется особое внимание. С самостоятельной исследовательской работой студент сталкивается
в различных формах обучения, однако, наибольшее влияние на формирование навыков самостоятельной работы оказывают курсовое и дипломное проекти-
рование. Это объясняется тем, что именно при выполнении задания на про-
ектирование ему впервые приходится заниматься теоретическими и экспе-
риментальными исследованиями порой по новой для него тематике. В этой связи особую актуальность и
значимость приобретают выпус-
каемые тематические учебные пособия, охватывающие различные области знаний в соответствии с требованиями ГОС на специальность т.к. на сего-
дняшний день невозможно представить медицину без применения электрон-
ной медицинской диагностической аппаратуры. Одной из основных задач медицинского контроля за состоянием человека является диагностика со-
стояния здоровья с целью выявления патологических процессов, наличие инфекций в организме, предрасположенность к патологиям и прогнозирова-
ние их развития. Специалисты, а особенно студенты медико-инженерных специальностей испытывают недостаток в технической литературе, в кото-
рой последовательно раскрыты этапы проектирования диагностического оборудования. В помощь студентам предлагается данное учебно-
методическое пособие. Оно составлено на основании опыта, накопленного авторским
коллективом при руководстве и выполнении дипломного проек-
тирования. Основное внимание в пособии уделено области диагностических ме-
тодик, базирующихся на уникальных медицинских приборах, нестандартном лабораторном и диагностическом оборудовании. Это обусловлено специфи-
кой реальных тематик и задач, предлагаемых медицинскими лечебными учреждениями г. Казани и РТ. и РФ в рамках совместной научной деятель-
ности. В первом разделе учебного пособия рассмотрен ряд фотометрических и спектрофотометрических устройств, применяемых в хирургических диагно-
стических и лабораторных исследованиях. В первой главе представлен фото-
метрический анализатор, который позволяет определить состояние брюшной стенки и санирующей жидкости при перитоните, даны основные методы и средства измерения диффузного и зеркального отражения различных объек-
тов
, в том числе и биологической природы. Представлена структурная схема устройства. В рамках главы "Фотометрия в оценке гемореологических пока-
зателей" рассмотрены основные реологические свойства крови и математи-
7
ческая модель седиментации эритроцитов в капилляре, различные лабора-
торные способы исследования СОЭ, в том числе экспресс-методы и функ-
циональные схемы соответствующих устройств. Динамику восстановления кровотока и перистальтической деятельно-
сти в послеоперационном периоде предложено оценивать по фотоплетиз-
мографической методике. В главе проводится оптимизация параметров оп-
тической части фотоплетизмографа. Второй раздел посвящен электро-контактным методам. В нем анализи-
руются методики реоэнцефалографии, механизмы формирования реоэнце-
фалограммы; основные принципы метода вектокардиографии, применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведе-
ний векторкардиографии. Проводится исследование патоморфологии ис-
кусственной и вспомогательной вентиляции легких, а также представлен ма-
териал по использованию реографических методов для оценки интенсивно-
сти
дыхания, а также методика проведения электрической стимуляции диа-
фрагмального отдела. В третьем разделе описаны электрохимические методы, частности рас-
смотрены методика измерения кислотности желудочного содержимого при проведении ФГДС, методическое и аппаратное обеспечение для гемодиализа и измерения концентрации мочевины, а также новая область аппаратуры для лапароскопической хирургии - приборы анализа состава газа, находящегося в брюшной полости. Исследованиями показано, что наличие ряда газов в рюшной полости, таких как метан, изобутан, этанол, сероводород, аммиак, а также паров ацетона в микро концентрациях и различных сочетаниях свиде-
тельствует о развитии в полости патологических процессов различной при-
роды и может быть рассмотрено в качестве дополнительного источника ди-
агностической информации
. Учебное пособие органически дополняет лекционный материал и даёт возможность студенту проявить индивидуальность в подходах к самостоя-
тельному решению поставленных задач. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по спе-
циальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и занимающихся изучением и разработкой медицинского диагностического оборудования. 8
I. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКЕ 1. Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности при перитоните 1.1. Введение в проблему дигностики перитонита Несмотря на прогресс в развитии анестезиологии и реаниматологии, по-
стоянное расширение возможностей лекарственной терапии и совершенство-
вание техники оперативного вмешательства, перитонит остается основной причиной летальных исходов у больных хирургического профиля. Леталь
-
ность при распространенном гнойном воспалении брюшины колеблется, по данным отечественных и зарубежных авторов, от 20 до 50%, а при послеопе-
рационном перитоните достигает 45—92,8% и не имеет тенденции к сниже-
нию. Современная терапия не всегда приносит желаемый результат, так как она часто не может купировать воспалительный процесс в брюшной полости. Среди умерших больных с острым перитонитом чаще всего причиной смерти является тяжелая интоксикация, обусловленная продолжающимся воспале-
нием брюшины. Во многом течение и исход гнойного перитонита определя-
ются санацией
брюшной полости во время операции и в послеоперационном периоде
. Не меньшее значение в лечении перитонита придается методам вы-
ведения токсинов из организма, поскольку после устранения источника пе-
ритонита воспаление брюшины сразу не обрывается и длительное время ос-
тается очагом токсического влияния на организм. Перитонит — заболевание вторичное, осложняющее течение острых воспалительных хирургических заболеваний органов брюшной полости, проникающие ранения живота, закрытые
повреждения внутренних органов. Среди острых заболеваний органов брюшной полости, явившихся при-
чиной перитонита, острый аппендицит имел место в 39% случаев. Часто вы-
являлись такие заболевания, как острый холецистит, острый панкреатит, гнойные гинекологические заболевания, перфоративная язва желудка и две-
надцатиперстной кишки, травматические повреждения органов брюшной по-
лости, злокачественные опухоли с перфорацией органов и т. д. (табл. 1.1.). В структуре нозологических форм заболевания у больных с ограничен-
ными формами перитонита преобладали острый аппендицит, острый холеци-
стит, гинекологическая патология. Общеизвестно, что никакой другой показатель, кроме показателя позд-
ней госпитализации, не играет решающей роли в развитии перитонита, его распространенности и запущенности. 9
Таблица 1.1. Распределение больных в зависимости от формы заболевания и распространенности перитонита Всего больных перитонитом Ограниченный перитонит Распространен-
ный перитонит Нозологическая форма за-
болевания Абс. % абс. % абс. % Острый аппендицит 714 39,0 585 31,9 129 7,1 Ущемленная грыжа 92 5,0 13 0,7 79 4,3 Прободная язва желудка и двенадцатиперстной кишки 162 8,9 8 0,4 154 8,4 Острый холецистит 210 11,5 111 6,2 99 5,4 Острый панкреатит 65 3,6 28 1,5 37 2,0 Острая кишечная непрохо-
димость 97 5,3 26 1,4 71 3,9 Перфоративная опухоль же-
лудка и кишечника 65 3,6 7 0,4 58 3,2 Гинекологическая патоло-
гия 161 8,8 115 6,3 46 2,5 Травма органов живота 108 5,9 50 2,7 58 3,2 Послеоперационный пери-
тонит 155 8,4 9 0,5 146 7,9 Всего 1829 100 952 52,1 877 47,9 Классификация перитонита на протяжении многих лет претерпела до-
вольно много корректив. С выделением фаз развития эндогенной интоксика-
ции представляется оправданным выделение клинических особенностей и отличительных признаков перехода от менее тяжелого к более тяжелому ее течению при развитии перитонита. Очевидно, что классификация перитонита должна основываться на сле-
дующих критериях: 1) источник перитонита; 2) характер перитонита; 3) распространенность перитонита; 4) стадия заболевания, тесно связанная со сроком от начала заболева-
ния. Представленная классификация перитонита требует несколько иного подхода к выявлению источника перитонита, особенно у больных с острыми заболеваниями органов брюшной полости. Характер экссудата. В большинстве известных вариантов клас-
сификации перитонита характер экссудата при перитоните не описан. Мно-
голетние наблюдения за больными, анализ статистического материала дают основание утверждать, что гнойный перитонит протекает менее тяжело, чем каловый или смешанный. Если при гнойном перитоните решающим факто-
ром для благоприятного прогноза является срок начатого лечения, то при ка-
ловом или смешанном перитоните даже рано начатое лечение не гарантирует от
многочисленных осложнений и летального исхода. 10
Распространенность перитонита определяет течение и исход острых абдоминальных заболеваний. Для ограниченного перитонита характерны вы-
раженные воспалительные изменения висцеральной и париетальной брюши-
ны в пределах одной анатомической области брюшной полости. Для распро-
страненного перитонита типично вовлечение в воспалительный процесс всех анатомических этажей и органов брюшной полости, проникновение патоло-
гического экссудата в малодренируемые
пространства верхнего этажа брюш-
ной полости.
До последнего времени выделяли три фазы острого перитонита: реак-
тивную, токсическую и терминальную. От степени компенсаторных возмож-
ностей в значительной мере зависит необходимость применения комплекс-
ной интенсивной терапии в пред- и послеоперационном периодах. Для достижения этих целей выбрано цифровое деление стадий перито-
нита: I, II, III, IVA и IVБ. Клинически выделенные стадии характеризуются определенными признаками
. Стадия I перитонита (первые 6—8 ч) отличается тем, что при перитони-
те любого характера возможно относительно безопасное наложение анасто-
мозов. Она характеризуется выраженными болевым синдромом, дисфагией, слабовыраженным парезом, температурной реакцией соответственно объему деструкции в брюшной полости, высоким лейкоцитозом (в среднем 12,810
9
/л), небольшим отклонением лейкоцитарного индекса интоксика-
ции(ЛИИ) (в среднем 2,4), соответствует эндогенной интоксикации 1 степе-
ни. Стадия II острого перитонита (8—24 ч) —это период, который можно охарактеризовать как стадию мнимого благополучия, когда стихают острота и интенсивность болевого синдрома: нарастают признаки интоксикации, проявляющиеся бледностью кожных покровов, эйфорией, тахикардией свы-
ше 100 в минуту, стабильно высокой температурой, нарастающим парезом кишечника (перистальтические волны характеризуются резким резонансом); остается высокий лейкоцитоз (в среднем 15,610
9
/л), выражены ЛИИ (4,5), увеличение СОЭ до 20—28 мм/ч; соответствует эндогенной интоксикации II степени. Стадия III острого перитонита (24—48 ч) — это стадия эндотоксическо-
го шока и развития полиорганной недостаточности, характеризующаяся на-
ряду с приведенными симптомами преходящим психозом, нестабильной ге-
модинамикой, одышкой, рвотой застойной жидкостью, стойким парезом ки-
шечника, невысоким лейкоцитозом (в среднем 910
9
/л); соответствует эндо-
генной интоксикации III степени. Стадия IV острого перитонита (48—96 ч) — это стадия про-
грессирующей полиорганной недостаточности. СТАДИЯ IVA (48—72 ч) — это стадия компенсации, для которой харак-
терны: иктеричность кожных покровов и склер, психоз, низкие показатели гемодинамики, одышка, понос. Стадия IVБ (72—96 ч) — стадия декомпенсации: клинические симпто-
мы те же, что и в стадии IVA. 11
Рис.1.1. Клиническая классификация перитонита (схема) Выделение этих стадий несколько условно в тех случаях, когда они рас-
сматриваются изолированно от других признаков классификации острого пе-
ритонита. Клиническая практика убеждает, что даже при ограниченном пе-
ритоните могут развиться поздние стадии острого перитонита. На рис.1.1. приведена схема предложенной классификации. Источник перитонита Нозологическая форма заболевания 1.Острые воспалительные заболевания органов брюшной полости 2. Травма органов брюшной полости и забрюшинного пространства 3. Послеоперационные осложнения 4. Неустановленный источник Характер экссудата 1. Гнойный 2. Желчный 3. Каловый 4.Смешанный
Распространенность перитонита Ог
р
аниченный
Расп
р
ост
р
аненный
Стадии перитонита I II III IV
А Б
12
Раскрытие многих сторон патогенеза перитонита, включая эндогенную интоксикацию, убедило хирургов в необходимости применения комплексной терапии этого заболевания. Принципы комплексного лечения перитонита были сформулированы в 1981 г. Стручковым В. И. Экстренная хирургическая операция: 1) удаление источника перитонита; 2) ограничение его тампонами, если затруднительно его удаление; 3) дренирование источника перитонита по следующим показаниям: а) неудаленный очаг; б) переход гнойно-некротического процесса на забрюшинную клетчатку; в) кровоостанавливающий тампон при диффузном капиллярном кровотечении. Разработка и совершенствование техники хирургических вме-
шательств, наложения кишечных анастомозов, оснащение аппаратурой для активного удаления экссудата, дренирования кишечника, совершенствование конструкции зондов и других приспособлений. Борьба с интоксикацией — уменьшение поступления в кровеное русло токсинов, их разведение, разрушение, адсорбция и выведение. Воздействие на микрофлору с использованием антибактериальных и физических средств. Разработка и внедрение в практику методов ускорен-
ной бактериологической диагностики и контроля эффективности антибакте-
риальной терапии. Восстановление нарушенных функций жизненно важных органов и систем. Проблема лечения запущенных ограниченных и распространенных форм перитонита остается ведущей
в хирургии. Изучение особенностей те-
чения перитонита, эндогенной интоксикации и других факторов, влияющих на исход этой патологии, несколько изменило взгляд на задачи комплексного лечения перитонита. Во-первых, изменился критерий «экстренности» опера-
ций при перитоните: на первый план выдвинута необходимость адекватной предоперационной подготовки. Во-вторых, открылись новые перспективы в применении хирургической коррекции перитонита за счет различных вари-
антов лапаростомии. В-третьих, постоянно совершенствуются и расширяют-
ся показания к комплексной внеорганной детоксикации. В-четвертых, наме-
тились и продолжают совершенствоваться оптимальные пути антибактери-
альной терапии. Оставив прежними основные принципы лечения больных перитонитом, можно сформулировать следующим образом задачи современной комплекс-
ной терапии: 1) экстренная адекватная
предоперационная подготовка до стабилизации гемодинамики и ликвидации или уменьшения сгущения крови, разгруз-
ка верхних отделов желудочно-кишечного тракта (срок предоперацион-
ной подготовки может продолжаться до 2—3 ч); 2) операция, направленная на ликвидацию источника перитонита, профи-
лактику его прогрессирования и адекватное дренирование брюшной по-
13
лости; 3) совершенствование методов послеоперационной санации брюшной по-
лости и профилактика хирургических осложнений
, комплексное приме-
нение методов внеорганной детоксикации; 4) комбинированная антибактериальная терапия; 5) коррекция гомеостаза, иммунных нарушений и восстановление функ-
ции кишечника. В комплексе меняющихся задач лечения больных перитонитом разраба-
тываются основные принципы рациональной терапии на каждом этапе лече-
ния. 1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования
Принципиальное отношение к выбору способа санации брюшной полос-
ти при различных формах перитонита определяется необходимостью сниже-
ния степени эндогенной интоксикации. Результаты микробиологических ис-
следований свидетельствуют о существенном влиянии различных способов дренирования и санации брюшной полости на течение одного из компонен-
тов эндогенной интоксикации. Однако токсическое влияние перитонеального экссудата в значительной степени зависит от скорости его эвакуации из брюшной полости. Для изучения влияния различных способов дренирования брюшной полости на динамику показателей степени эндогенной интоксика-
ции сравнивали две группы больных: с активным дренированием брюшной полости и с активным дренированием и этапными санациями. Исходный уровень показателей свидетельствует о тяжелой степени эндогенной инток-
сикации у
больных 1-й и 2-й групп. В дальнейшем на 3—4-е сутки лечения при активном дренировании брюшной полости имеется минимальная дина-
мика — уменьшение показателей протеолитической и антитрипсической ак-
тивности крови. В большей степени эти изменения следует отнести не к не-
посредственному влиянию способа дренирования, а к проводимой инфузи-
онно-трансфузионной терапии. На 5—7-
е сутки лечения отмечено более вы-
раженное снижение в крови больных числа средних молекул — почти в 2 раза по сравнению с исходными показателями, уменьшение количества нек-
ротических тел до 37,1±0,8 ед./мл, снижение показателя циркулирующих иммунных комплексов крови до 74,20,04 усл.ед., протеолитической актив-
ности крови в 2 раза по сравнению с исходными показателями
[4,70,4 мкг/(мл-ч)]; однако почти не менялся показатель антитрипсической активно-
сти крови, который достигал 3,130,01 мг/мл. При активном дренировании брюшной полости и этапных санациях в процессе лечения распространенного перитонита прослежено более быстрое изменение показателей токсичности крови. В частности, на 3—4-е сутки ле-
чения в 2 раза снижались показатели протеолитической и антитрипсической 14
активности крови больных—4,10,3 мкг/(мл-ч) и 2,70,02 мг/мл соответст-
венно. При снижении активности распада полинуклеопротеидов, дости-
гающих в крови в 2 раза меньшего уровня, чем в начальном периоде заболе-
вания (38,60,06 ед./мл), оставался активным процесс агрессивного воздейст-
вия протеиназ на белковые структуры организма, в результате чего наблю-
дался
высокий уровень средних молекул (0,6910,002 усл. ед.). Только на 5—7-е сутки лечения в результате этапных санаций брюшной полости отмечено существенное, статистически достоверное изменение всех регистрируемых показателей крови, однако при этом только показатели про-
теолитической и антитрипсической активности крови пришли к исходному нормальному уровню. Таким образом, различные способы дренирования брюшной полости, оказывая существенное влияние на течение микробного компонента эндо-
генной интоксикации, не в полной мере могут менять ее биохимический компонент. В ходе этапных санаций удалось достаточно быстро повлиять на снижение протеолитической и антитрипсической активности крови, на уро-
вень распада полинуклеопротеидов и в меньшей степени — на степень ката-
болических процессов в печени при
наличии патологических иммунных комплексов и аминокислот. Выявленные при лапаростомии данные свиде-
тельствовуют о том, что париетальная и висцеральная брюшина в различной степени реагировали на раздражитель. При этом важное значение имела рас-
пространенность воспаления. При проведении цитологических исследований мазков-отпечатков с брюшины при лапаростомии или из отделяемого брюш-
ной полости в 1—2-
е сутки после операции в мазках наблюдалась выражен-
ная микробная обсемененность за счет ассоциаций микрофлоры. Несмотря на проводимую активную санацию брюшной полости, характер воспали-
тельной реакции мало отличался и незначительно зависел от особенностей дренирования брюшной полости. Тяжесть течения эндогенной интоксикации сопровождалась высоким исходным уровнем некроза, дистрофией нейтро-
филов при применении неподвижных
дренажей. Этапная санация способст-
вовала более быстрому удалению патологических клеточных элементов, но такие показатели, как некроз и дистрофия нейтрофилов, незначительно от-
личались от показателей у больных 1-й группы. Между клеточными элемен-
тами, в микро- и макрофагах содержалась в большом количестве кокковая флора. Характерна картина незавершенного фагоцитоза стафилококков при низком содержании мононуклеарных элементов, при этом полностью от-
сутствовала фибробластическая реакция, а число макрофагов в обеих груп-
пах не превышало 1,40,2%. В мазках наряду с нормальными лейкоцитами выявлялись нейтрофилы с клеточным цитолизом, отмечено дегранулирование нейтрофилов, выпадение гранул за пределы клетки, распад имеющейся кокковой микрофлоры проис-
ходил вне нейтрофила. Таким образом, все существующие современные
способы применения неподвижных дренажных систем могут дать ожидаемый эффект в ранних 15
стадиях острого перитонита. Применение неподвижных дренажных систем при запущенных перитонитах, начиная с периода образования в брюшной полости фибрина, должно сопровождаться дополнительным лечебным воз-
действием для предотвращения инфильтративно-спаечного процесса. В этом случае значительное положительное влияние на регенеративный процесс в брюшине оказывают активные дренирующие системы и этапные санации. Таким образом, активная санация
брюшной полости, позволяет эвакуиро-
вать большое количество экссудата и быстрее удалять микрофлору. Проследить динамику изменений брюшины и внутренних органов пред-
ставляется возможным в зависимости от стадии заболевания. При разлитом перитоните морфологические изменения быстро нарастают и коррелируют со стадией процесса. Это отчетливо выделяется уже в реактивной стадии забо-
левания, в которой выделяется 2 фазы: раннюю – до 12 ч и позднюю – свы-
ше 12 ч. В ранней фазе реактивной стадии обычно наблюдается серозно-
фибринозный перитонит. Макроскопически в этот период брюшина тусклая, гиперемированная, с умеренным количеством фибринозных наложений. При микроскопическом исследовании обнаруживается отек брюшины, особенно глубокого слоя эластических и коллагеновых волокон. В этом слое нередко выявляются очаговые
кровоизлияния, отдельные нейтрофильные лейкоциты (НЛ). В реактивной стадии разлитого перитонита развивается серозно-
фибринозное воспаление брюшины с характерными резкими нарушениями микроциркуляции в виде стаза, ритроцитарных агрегатов и тромбов в сосу-
дах микроциркуляторного русла. Наблюдается отек брюшины, образование на ней фибринозной пленки, умеренная лейкоцитарная инфильтрация, не-
большое число макрофагов и лимфоцитов. При этом фагоцитоз бактерий вы-
ражен незначительно. Для токсической стадии острого разлитого перитонита характерны сле-
дующие признаки: гнойно-фибринозный экссудат, нарастание интоксикации, прогрессирующее нарушение микроциркуляции не только в брюшине, но и во внутренних органах, включение в воспалительный процесс иммунных ре-
акций, усиление лейкоцитарно-макрофагальной инфилтрации брюшины, по-
явление в крови и в инфильтрате значительного числа дистрофически изме-
ненных НЛ с ослабленными защитными свойствами, нарастание количества микробов в брюшине и экссудате при снижении фагоцитарной функции НЛ и макрофагов. Морфология терминальной стадии острого разлитого перитонита харак-
теризуется гнойно-фибринозным воспалением брюшины с выраженным нек-
ротическим компонентом, гнойными тромбофлебитами и тромбоартериита-
ми микрососудов брюшины
и тяжелыми нарушениями микроциркуляции во внутренних органах, выраженными дистрофическими и некробиотическими изменениями НЛ. Особенно поражены патологическим процессом сердце, печень, почки, а также вся система микроциркуляции. 16
В зависимости от стадии перитонита брюшная стенка постоянно меняет свой вид, в том числе меняется и цвет. Цвет брюшины меняется от серовато-
желтого до синюшно-красного оттенка (табл. 1.2). Динамика изменения цвета брюшной стенки в зависимости о патологии Таблица 1.2. Фаза перито-
нита Вид экс-
судата Цвет брюшины 1 фаза (1 су-
тки) реактив-
ная стадия Серозно-
фиброзный экссудат Тусклая, гиперемированная, отечная, уме-
ренное количество фибринозных наложений, цвет серовато-желтого оттенка 2 фаза (2-3 сутки), токси-
ческая стадия Гнойно-
фиброзный экссудат Брюшина отечного красного цвета, на по-
верхности видны грубые гнойно-фиброзные наложения 3 фаза (4-7 сутки), терми-
нальная стадия Гнойно-
фибриноз-
ный экссу-
дат (до 2 литров) Брюшина тусклая, грязно-серого цвета, с множеством кровоизлияний. Сероватые уча-
стки чередуются с синюшно-красными, ино-
гда с серовато-красными очагами. Таким образом, при перитоните в экссудате брюшной полости присут-
ствует микрофлора и ряд клеток: мезотелиальные, лимфоциты, ретикулярные клетки, плазматические клетки и миелоидные элементы. Наличие микрофло-
ры в экссудате брюшной полости незначительно влияет на оптические пара-
метры санирующей жидкости, что затрудняет ее обнаружение при помощи оптических методов исследования. В свою очередь клетки легко обнаружи-
ваются в санирующей жидкости при помощи оптических методов исследова-
ния, где они присутствуют как во взвешенном, так и в растворенном состоя-
нии. Клетки, растворяясь в жидкости, окрашивают ее, преимущественно, в красный цвет. При патологических изменениях в брюшной полости, что имеет место при перитоните, брюшина в начале воспалительного
процесса теряет естест-
венное строение и вид становиться тусклой, на ней появляются налеты фиб-
рина, мелкие кровоизлияния; на 5-7-й день брюшина приобретает вид об-
ширной раневой поверхности. Такие изменения можно подтвердить при по-
мощи оптических методов исследования. 17
1.3. Методы и технические средства измерения диффузного и зер-
кального отражения различных объектов, в том числе биологической природы Информацию об окружающей среде человек получает главным образом через зрительные восприятия, источником которых служит свет, отраженный или рассеянный материальными телами. Отражение света, как правило, про-
исходит на поверхности тел, поэтому качество и количество
отраженного света определяется свойствами поверхности. Белая поверхность отражает одинаково хорошо лучи всего видимого спектра, тогда как черная их почти не отражает. Можно различать множество поверхностей, которые обладают тем или иным цветом, при этом отражается только какая-то часть лучей ви-
димого спектра, а другая часть поглощается. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины Фотометрией называют раздел физической оптики, охватывающий тео-
рию и приемы исследования интенсивности лучистых потоков. Приборы, служащие для измерения лучистой мощности, носят название фотометров. Лучистая энергия — это энергия совокупности распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. В современной физике лучистую энергию рассматривают как поток материальных частиц, обладающих одно-
временно волновыми и квантовыми
свойствами. Волновые свойства обу-
словлены тем, что лучистая энергия представляет собой электромагнитные волны. Квантовые свойства характеризуются изменением лучистой энергии определенными порциями — квантами. Светом называется тот вид электромагнитного излучения, который вы-
зывает зрительное ощущение. Электромагнитная теория света установила единство физической приро-
ды всех видов излучений — единый электромагнитный спектр. Этот спектр с длинами волн от 1 • 10
-11
до 3 • 10
10
см условно разбили на отдельные области от гамма - лучей до низкочастотных колебаний (источниками последних яв-
ляются промышленные генераторы переменного тока). Видимые лучи занимают в электромагнитном спектре самый узкий уча-
сток (от 380 до 780 нм). Излучения так называемой оптической области спектра простираются от ультрафиолетовой области радиации (~ 1,0 нм) до инфракрасных излуче-
ний с длиной волны до 1 мм. Всякое сложное излучение представляет собой совокупность монохро-
матических излучений. Монохроматическое излучение характеризуется дли-
ной волны λ или частотой υ и волновым числом. Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением 18
0
с
, (1.1) где с — фазовая скорость распространения излучения в вакууме, которая постоянна для монохроматических излучений всех частот; 0
длина вол-
ны излучения в вакууме. В любой другой среде длина волны зависит от показателя пре-
ломления среды п. n
0
. (1.2) Показатель преломления п есть отношение фазовых скоростей распро-
странения излучения в вакууме и в данной среде: c
n . (1.3) При прохождении излучения сквозь разные среды длина волны λ будет изменяться соответственно показателям преломления, но частота колебаний υ при этом окажется неизменной. Лучистую энергию, переносимую в единицу времени, называют лучи-
стым потоком. Следовательно, лучистый поток есть мощность переноса лу-
чистой энергии. Лучистый поток характеризуется спектральным составом, а лучистая энергия
и связанные с ней величины — энергетическими и светотехнически-
ми единицами в зависимости от спектрального состава излучения и от осо-
бенностей приемника излучения. Если приемник одинаково реагирует на лучистую энергию в широком участке спектра, то пользуются энергетическими величинами. Такой прием-
ник называется неселективным. Если реакция приемника зависит от спектрального состава лучистой
энергии, то его называют селективным, и в этом случае выбор единиц изме-
рения зависит от рабочего участка спектра. 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового потока с исследуемой биофизической средой В основе принципа действия большинства оптических измерительных преобразователей (ОИП) лежит взаимодействие падающего света с иссле-
дуемой биологической средой (ИБС), в результате
которого изменяются па-
раметры светового потока. В сложных полидисперсных гетерогенных рас-
творах ИБС эти изменения для разных компонентов различны, что и позво-
ляет получать информацию о наличии компонента, его количестве или соот-
ношении компонентов в растворе путем измерения параметров световых по-
токов, прошедших через ИБС или отраженных от нее. 19
При выборе принципов построения оптических измерительных преобра-
зователей (ИП) параметров БС необходимо учитывать ряд специфических особенностей ИБС, как объектов исследования: 1. Падающее на исследуемую БС оптическое излучение может оказать влияние на происходящий в ней процесс (нагревание, фотохимические реак-
ции). Это влияние связано с поглощением света, которое происходит в боль-
шинстве случаев избирательно. Поэтому при разработке оптических ИП не-
обходимо учитывать не только интенсивность падающего света, но и его спектральный состав, т.к. при разных спектрах излучения и даже при одном и том же световом потоке результат воздействия на ИБС и результат измере-
ния может быть различным. 2. Эффект воздействия света зависит от общего потока энергии излуче-
ния, падающего на ИБС со всех направлений. В связи с этим результат изме-
рений может существенно зависеть от рассеянного света (фона), создаваемо-
го другими источниками измерения или отражающей поверхностью ИБС. 3. При разработке оптических ИП для исследования полидисперсных БС необходимо учитывать отличие в поглощающих свойствах различных дис-
персных фаз, которые могут располагаться на пути распространения света и изменять спектр света, падающего на последующие слои жидкости. 4. При выборе принципа построения оптических ИП свойств и состава БС следует учитывать, что процесс измерительного преобразования сопро-
вождается фотохимическими и фотоабсорбционными процессами, а также электрическими эффектами. Для уменьшения или учета их влияния на ре-
зультат измерения необходимо применять специальные методические и ин-
струментальные методы и меры. Анализ зависимостей, устанавливающих связь информативных парамет-
ров потока с исследуемыми свойствами и составом БС проведем на основе картины взаимодействия падающего светового потока на ИБС (рис. 1.2.). Ф
0
Исследуемая биоло- гическая среда Ф
1
Ф
3
Ф
2
Ф
4
l Рис. 1.2. Прохождение светового потока через оптически проницаемую исследуемую биологическую среду При прохождении светового потока через ИБС интенсивность излучения ослабляется в результате поглощения (абсорбции), отражения, рассеивания. Процесс прохождения светового потока через ИБС может характеризоваться рядом коэффициентов: зеркального отражения зерк = Ф
2
/Ф
0 , 20
поглощения Ф
п
/Ф
0
, рассеянного (диффузионного) отражения 01до
/ФФρ
, рассеянного (диффузионного) пропускания дп = Ф
3
/Ф
1
, направленного пропускания нп = Ф
4
/Ф
0
, где Ф
0
– падающий на границу сред световой поток, Ф
1
– световой поток диффузионного отражения, Ф
2
– отраженный световой поток, Ф
3
– световой поток диффузионного пропускания, Ф
4
– световой поток направленного про-
пускания. При этом баланс световых потоков и характеризующих их коэф-
фициентов определяется выражениями: Ф
0
= Ф
1
+ Ф
2
+ Ф
3
+ Ф
4
+ Ф
п
, (1.4) зерк + до
+ нп + дп + п = 1 . (1.5) В большинстве случаев одна из составляющих светового потока отсут-
ствует. Например, для прозрачных сред принято исключать Ф
1
и Ф
3 , а для сильно поглощающих сред - Ф
3
и Ф
4
. Поглощение и рассеяние светового потока происходит практически все-
гда избирательно. Поэтому количественная характеристика поглощения оп-
ределяется при использовании монохроматического оптического излучения или излучения со строго фиксированным спектральным составом излучения. В основе принципа действия абсорбционных спектрофотометров лежит закон Бугера - Ламберта: Ф = Ф
0 еxp(- к
l) , (1.6) где к
- коэффициент погашения (экстинкции), l - толщина слоя ИБС, пересекаемая световым потоком. Если учесть отражение светового потока на границах ИБЖ, то выраже-
ние примет вид: Ф = (1 - )
2
Ф
0 ехр(- к
l) , (1.7) где - коэффициент отражения. Поправка на отражение может достиг-
нуть порядка десяти процентов. Закон Бугера - Ламберта можно записать в других формах: ln (Ф
0
/Ф) = к
l или (1.8) lg (Ф
0
/Ф) = к
`l, (1.9) где к
` = к
/ 2,303 - коэффициент погашения. Этот закон выполняется с высокой степенью точности для большинства 21
веществ при изменении освещенности до 10
20
, а для флуоресцирующих и фосфоресцирующих веществ закон нарушается. Это приводит к необходимо-
сти в лабораторной практике учитывать возможность влияния этих эффектов при исследовании жидкостей, содержащих фотолюминесцирующие пигмен-
ты. При изучении поглощения света растворами было установлено, что ко-
эффициент поглощения пропорционален концентрации с поглощающего ве-
щества: к
`= сЕ
, (1.10) где Е
- молекулярный коэффициент погашения, зависящий от свойств отдельной молекулы исследуемого вещества. Если в выражение (1.7) подставить зависимость (1.10), то основной за-
кон абсорбционной фотометрии примет вид: Ф = Ф
0
10 -сЕl
или (1.11) lg (Ф
0
/Ф) = сЕ
l = D
, где с - концентрация, моль / г, D
- оптическая плотность. D
= lg (1/
) = -lg(
) , (1.12) где - коэффициент пропускания. Этот параметр широко используется в фотометрии. Это обусловлено тем, что непосредственно определить поглощенный поток не удается, потому что регистрируют световой поток, прошедший через исследуемую БС. При этом определяют коэффициент пропускания или оптическую плотность: D
= -lg
, где (1.13) = Ф/ Ф
0
, Ф
п
- поток, прошедший через исследуемую БС, Ф
0
- падающий поток. Важнейшим свойством при использовании абсорбционных измерителей является аддитивность величины D
, которая позволяет при исследовании БС, представляющих смесь «n» химически не реагирующих между собой веществ, записать: n n lg (Ф
0
/Ф) = lg (Ф
0
/Ф
i
) = D
i
, (1.14) i=1 i=1 где Ф
i
- интенсивность светового потока, прошедшего через раствор i-
го компонента смеси, D
i
- величина оптической плотности i-го компонента 22
раствора. Приведенные выше зависимости справедливы для монохроматического излучения. В случае использования полихроматического излучения, содержащего электромагнитные волны с длиной в диапазоне от 1
до 2
, падающий лучистый поток Ф
0
будет определяться: 2
1
00
, (1.15) а интегральный коэффициент пропускания: = [
2
1
0
] / [
2
1
0
] , (1.16) где Ф
0
(λ) - спектральная характеристика излучения. Величина светового потока, прошедшего через слой вещества: Ф = 2
1
Ф
0
()ехр(- к
l)d или (1.17) Ф = 2
1
Ф
0
()10 – к`l
d (1.18) Так как коэффициент погашения зависит от длины волны излучения, то коэффициент рассеяния будет равен: 0
2
1
Ф
0
()d / 2
1
Ф
0
()d (1.19) Аналитически выражения можно записать для коэффициентов отраже-
ния з
и поглощения Следовательно, можно сделать вывод, что регистрируя значения 0
, , () и 3
, которые различны для различных веществ, можно оцени-
вать наличие тех или иных веществ в растворе исследуемой БС. 23
1.3.3. Отражение света Отражением света называется явление, которое состоит в том, что свет, падающий на поверхность, разделяющую две оптические среды с различны-
ми показателями преломления, частично или полностью возвращается в сре-
ду, из которой он падает. Характер отражения света от поверхности зависит от качества ее обра-
ботки, материала поверхности, температуры ее
и углов падения света на по-
верхность. Рис. 1.3. Три вида отражения На рис. 1.3. схематически показано распределение света при трех видах отражения. Хорошо полированные поверхности дают зеркальное отражение. В этом случае угол падения лучей равен углу отражения (рис. 1.3, а). Идеально рассеивающие матовые поверхности дают диффузное (рассе-
янное) отражение (рис
. 1.3, в). Промежуточным видом отражения является направленно-рассеянное от-
ражение, при котором максимум силы света совпадает с направлением зер-
кального отражения (рис. 1.3, б). При смешанном отражении наблюдаются одновременно свойства диффузного и направленного отражений. Отражение света от среды, оптически менее плотной, с полным возвращением в среду, из которой он падает, называется полным
внутренним отражением. При графическом изображении отраженного от тела или прошедшего через тело света концы радиус-векторов, изображающих силу света или яр-
кость образуют поверхность, которая называется фотометрической поверх-
ностью. В результате сечения фотометрической поверхности плоскостью полу-
чается кривая линия, называемая фотометрической кривой, которая харак-
теризует распределение интенсивности в данной плоскости
сечения. 24
Для характеристики распределения светового потока в пространстве (в случае рассеянного или полурассеянного отражения) пользуются понятием коэффициента яркости, под которым понимают отношение яркости L
α
по-
верхности в данном направлении к яркости L
0
идеально матовой белой по-
верхности при одинаковой освещенности: .
0
L
L
r
(1.20) Общий коэффициент отражения ρ складывается из коэффициентов на-
правленного ρ
н
и диффузного ρ
д
отражений. Согласно определению он всегда меньше единицы. Коэффициент же яркости r
α
может быть значительно боль-
ше единицы. Это иллюстрирует рис. 1.4, где окружность 1 изображает рас-
пределение удельной силы света, отраженного идеально рассеивающей по-
верхностью, а кривая 2 представляет собой кривую полурассеянного отраже-
ния от некоторой поверхности при той же освещенности. Рис. 1.4. Распределение удельной силы света На рис. 1.4. коэффициенты
яркости для направлений 0В и OD равны отно-
шению векторов, а именно: ОА
ОВ
r
ОВ
и ,
ОD
ОС
r
ОD
где ОВ
r
> 1, ОD
r
< 1. Коэффициенты яркости зависят от угла падения и поэтому они опреде-
ляются для случая нормального падения света. Коэффициент отражения ρ преломляющей поверхности зависит от угла i падения света на поверхность и от показателей преломления п и п' соприка-
сающихся сред. 25
По формуле Френеля можно подсчитать ρ для естественного света: )(
)(
)(sin
)(sin
2
1
2
2
2
2
iitg
iitg
ii
ii
, (1.21) где i и i
΄
— связаны соотношением n sin i == п' sin i'. При нормальном падении света формула (1.21) имеет вид 2
)(
)(
2
1
ii
ii
. При малых углах падения, когда in ≈ i
΄
n
΄
, получим 2
)(
)(
2
1
nn
nn
, (1.22) Заметим, что коэффициент отражения на границе двух сред практически не зависит от того, с какой стороны падает свет на границу раздела. При рас-
четах отражения светового пучка от ряда поверхностей следует иметь в виду явление поляризации света при отражении, которое влияет на коэффициент отражения. Ниже даны значения коэффициента направленного отражения для неко-
торых материалов при комнатной температуре. Металл, осажденный на стекле путем испарения в вакууме: серебро ………….….0,95 алюминий ……….….0,87 золото ………………0,82 медь …………………0,78 никель ………………0,55 хром ……………….. 0,47 Металл, гальванически нанесенный на металлический подслой: серебро ……………..0,88—0,93 родий ……………….0,74 кадмий …………….. 0,64 хром ………………. 0,62 никель …………….. 0,55—0,60 молибден …………. 0,55 медь ……………….. 0,48 Значения коэффициентов диффузного р
д
отражения для некоторых ма-
териалов при комнатной температуре приведены ниже: Углекислый магний ............……. 0,97—0,98 26
Окись магния ...............……….. 0,97 Окись цинка ................... ……….. 0,91 Мел и гипс ................……………. 0,85—0,90 Фарфор белый матовый .....…....... 0,80—0,85 Фаянс белый матовый .........…..... 0,50—0,60 Ватманская бумага ...........……..... 0,76—0,82 Белая клеевая краска .......……..... 0,70—0,80 Розовая светлая краска .......….... 0,30—0,45 Красная краска (киноварь) ............ 0,13—0,14 Желтая краска (хром) ............……..0,55 Зеленая краска ...............…………0,20 Синяя краска (кобальт) .............. 0,07 Черный бархат ...............…………. 0,06—0,07 В оптических системах применяют полированные зеркальные поверхно-
сти, которые покрыты тонким слоем металла, нанесенного путем его испаре-
ния в вакууме. Коэффициент отражения от металлических покрытий в случае нормального падения лучей определяется по формуле 22
22
)1(
)1(
n
n
, (1.23) где п — показатель преломления металла; ‭ показатель поглощения метал-
ла. Потери света на отражение могут быть снижены путем просветления по-
верхностей. Просветлением называется процесс нанесения тонких пленок на поверхности оптических деталей с целью уменьшения отражения света от их поверхностей. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Толщину пленки для однослойного просветления определяют по формуле с
n
K
d
4
)12(
, (1.24) где К — длина волны; с
n
— показатель преломления пленки; К = 0, 1, 2, 3 и т. д. Толщина пленки составляет около одной четверти длины волны света. Показатель преломления пленки находят по формуле nn
с
, (1.25) где п — показатель преломления стекла детали. Значимость просветления за-
ключается не только в том, что уменьшается потеря света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерферен-
ции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет. 27
1.3.4. Простая шероховатая поверхность Шероховатая поверхность является сложным объектом, поэтому при разработке теории обычно принимают следующие упрощающие задачу предположения: 1) размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения; 2) радиус кривизны рас-
сеивающих элементов много больше длины волны; 3) затенение одних эле-
ментов другими отсутствует; 4) подсчитывается электромагнитное поле только в
зоне Фраунгофера; 5) многократное отражение отсутствует; 6) плотность микронеровностей не рассматривается. При исследовании живых организмом in vivo дополнительные трудности при получении объективных данных связаны с протеканием процессов жиз-
недеятельности в самом организме. Биологические ткани поглощают и рас-
сеивают лучистую энергию, однако принять рассеяние диффузным можно с определенными допущениями. Для того, чтобы рассмотреть динамику взаи-
модействия потока лучистой энергии с тканями тела, следует учитывать раз-
меры, плотность упаковки и форму. Например, для эритроцитов, на поверх-
ности которых в основном происходит рассеяние света, необходимо учиты-
вать их движение, изменение коэффициента преломления как внутри самой структуры форменных элементов крови, так и коэффициент преломления различных структур ткани и целый
ряд других факторов. До настоящего вре-
мени не получены решения уравнений, описывающих распространение как направленного, так и диффузного излучения через структуры подобной сложности. Поэтому при рассмотрении распространения потока излучения через биологический объект принимают ряд допущений: структуру объекта считают однородной с некоторыми усредненными оптическими характери-
стиками, распределение эритроцитов в тканях равномерным, форма эритро-
цитов принимается за круглую, поток – неполяризованным, монохроматич-
ным или имеющим достаточно узкий спектральный состав. Рассмотрим модель X. Дэвиса. Он ограничил свою модель шероховатой поверхности очень малыми и очень большими по сравнению с длиной волны микронеровностями. Кроме того, он считал, что локальные нормали к микро-
граням почти совпадают с нормалью к
средней плоскости поверхности, т.е. наклон микрограней очень мал. Критерием для проверки правильности принятых моделей шероховатой поверхности, использованных Х. Дэвисом, может служить закон сохранения энергии. Полный коэффициент отражения от шероховатой поверхности за-
пишется так 2
cos
1
),(
rics
d
, (1.26) где первый член s
— коэффициент зеркального отражения, а второй — коэффициент диффузного отражения в полусфере. 28
Отклонение полного коэффициента отражения от единицы свидетельст-
вует о некорректности модели. Коэффициент отражения в зеркальном направлении выражен формулой, определяемой теорией X. Дэвиса: 2
)
4
(
0
e
s
, (1.27) где s
—коэффициент зеркального отражения исследуемой шероховатой по-
верхности; 0
такой же коэффициент гладкой поверхности образца из того же материала; σ—среднеквадратическое отклонение от средней линии про-
филя; λ — длина волны падающего излучения. Для модели X. Дэвиса единица получается только в области очень малых шероховатостей (
04,0/
). При больших значениях коэффициент от-
ражения превышает единицу и тем значительнее, чем больше отношение па-
раметров. Отсюда следует, что модель X. Дэвиса применима только к по-
верхностям, у которых размер шероховатостей весьма мал и рассеяние света незначительно. Иначе говоря, расчет по способу X. Дэвиса можно произво-
дить только для достаточно гладких поверхностей. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства Оптические ИП основаны на использовании оптоэлектронных преобра-
зователей и характеризуются большим разнообразием конструктивных и схемотехнических решений. Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного преобразователя: ИИ – источник излучения; ФИ – фоновое излуче-
ние; ОС
1
– оптическая система введения излучения в измеритель-
ный канал; ОС
2
– оптическая система введения излучения в канал ОЭП; ОЭП – оптоэлетронный преобразователь (приемник излуче-
ния и электронная схема его включения; ИК - измерительная кюве-
та. В общем случае оптические ИП можно представить как показано на рис. 2. Они включают ИИ, оптическую систему ОС
1
, позволяющую собрать лу-
29
чистую энергию ИИ и сформировать направленный пучок излучения на ИБС, а при необходимости промодулировать его по интенсивности, управлять спектральным составом и способностью выделять полезный сигнал на фоне сигнала от других излучателей. Кроме того в структуру оптических АИУ входит оптическая система ОС
2
, включающая элементы и устройства, необ-
ходимые для введения светового потока от ИБС (находящейся в кюветах, на предметных стеклах, барабанах с пробирками) в оптический канал приемни-
ка излучения, входящего в состав ОЭП. Взаимное расположение этих эле-
ментов ИП различно и определяется особенностями метода измерения и свойств ИБС. Поэтому конкретный состав функциональных узлов оптоэлек-
трического ИП неодинаков часто включает достаточно сложные устройства: Оптические узлы: ОС
1
, конденсоры, модуляторы, фильтры и другие устройства могут входить в ИИ, а корректирующие оптические фильтры ОС
2 - в состав ПИ. В современных оптических измерительных преобразователях ПИ может иметь несколько независимых каналов преобразования излучения в электрическом сигнале. Система фильтров позволяет согласовывать спек-
тральные характеристики ИИ и ПИ со спектральными характеристиками пропускания и отражения ИБС. Для достижения заданных метрологических характеристик оптических ИП необходимо проводить как структурную, так и параметрическую оптими-
зацию его основных преобразователей в рамках системы ИСТОЧНИК ИЗ-
ЛУЧЕНИЯ - ИБС – ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. К основным преобразовате-
лям оптических ИП относится оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), в качестве которого в начале развития этого класса ИУ применялись электро-
вакуумные ОЭП, а затем полупроводниковые и др. ОЭП. В основе принципа работы ОЭП нашли применение нескольких
эффек-
тов: внешний фотоэффект (электроны отрываются от поверхностного слоя при его освещении), внутренний фотоэффект (образование свободных элек-
тронов в твердом теле). Существуют ОЭП, реагирующие на изменение ин-
тенсивности излучения, его спектрального состава (спектрально-
чувствительные ОЭП), а так же чувствительные к направлению излучения, то есть к направлению падения светового потока (позиционно-
чувствительные ОЭП). По области предпочтительной спектральной чувствительности ОЭП можно разделить на группы, работающие в различных областях спектра, по-
казанных в таблице 1.1. Таблица 1.3. Область спектра Длина волн ,нм Видимая 800-400 Ультрафиолетовая 400-200 Короткая ультрафиолетовая 200-180 Вакуум –ультрафиолетовая <180 30
При разработке оптических ИП, предпочтительных для работы со свето-
выми потоками, характеризующимися низким уровнем интенсивности (лю-
минесцентный анализ), созданы ОЭП, в которых светочувствительный слой охлаждается до очень низкой температуры (до 20К и ниже). В общем случае выходной ток ОЭП o
ф
I
зависит от множества факторов: ...),,,( UT
o
f
ф
I
, (1.27) где o
- величина падающего потока; ﴠспектральный диапазон из-
лучения; Т - абсолютная температура светочувствительного слоя ОЭП; U - напряжение питания ОЭП. Эта зависимость нелинейная. Кроме того, она изменяется со временем (временной дрейф). Это приводит к появлению погрешностей измерения. Поэтому в процессе измерения одной из важнейших задач является стабили-
зация влияния основных внешних факторов: температуры, параметров ис-
точника питания
и др. внешних условий, не связанных с измеряемым пара-
метром. Одним из определяющих функциональных элементов в структуре опти-
ческих ИП является ОЭП. Среди его основных параметров и характеристик, являющихся принципиальными при разработке оптических ИП в первую очередь принято выделять. Интегральная чувствительность ОЭП. Эта величина, обозначаемая иногда инт
, численно равна отношению приращения одного из выходных данных информативных параметров ОЭП к вызвавшему его воздействию (световому потоку или освещенности). Спектральная чувствительность
( )
, характеризующая реакцию ОЭП для каждой длины волны оптического излучения. Уровень собственных шумов. Порог чувствительности - это минимальный световой поток
min
, ко-
торый способен вызвать на выходе ОЭП информативный сигнал, который находится в заданном отношении к уровню собственных шумов (отношения сигнал / шум). Инерционность, оцениваемая постоянной времени переходного про-
цесса при скачкообразном изменении величины потока излучения. Особое значение для ОЭП имеет оценка влияния собственных (внутрен-
них) шумов на процессе измерительного преобразования. Основными видами шумов для ОЭП являются: тепловые, вызываемые хаотическим тепловым движением электронов; дробовые, определяемые тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, количество которых флуктуи-
рует во времени; токовые шумы (
1/f
- шум); фотонные шумы, зависящие от флуктуации числа фотонов, падающих на светочувствительный слой ОЭП. 31
Общий уровень шума оценивается дисперсией шума iш
2
, а при опреде-
лении отношения сигнал / шум используется среднеквадратическое значение шума, то есть: 2
iш
ф
I
J
, (1.28) где I
ф
- значение выходного сигнала ОЭП, на уровне которого измеря-
ется шум. В большинстве случаев при работе ОЭП в ОИП, дисперсия шумового сигнала зависит от величины информативного (полезного) сигнала. Это приводит к непостоянству отношения сигнал / шум в рабочем диапазоне из-
менения измеряемого светового потока. Поэтому принято разделять ОЭП на три группы по особенностям зависимости шума выходного сигнала от уровня полезного сигнала (УПС). 1. Шумы постоянны - то есть не зависят от УПС (возможно в случае преобладания тепловых шумов): 2
iщ
= const = k
1
. 2. Дисперсия шума изменяется пропорционально амплитуде полезного сигнала (преобладает дробовый шум): 2
iщ
=
k I
c2
р
. 3. Дисперсия шума изменяется пропорционально квадрату амплитуды полезного сигнала: 2
iщ
= k I
c3
2
р
(где k k k
1 2 3
,,
- постоянные коэффициен-
ты). Необходимо учитывать, что каждый из перечисленных видов шума за-
висит от ширины полосы Δf
, в которой оценивается их дисперсия, поэтому отношение сигнал / шум , а следовательно и порог чувствительности ОЭП зависят от Δf
. В некоторых случаях для удобства сравнения различных типов ОЭП ис-
пользуют приведенное значение дисперсии:
22
iщio
/
f
. Функциональные свойства ОЭП описываются рядом характеристик та-
ких как: световая характеристика (люкс - амперная); дифференциальная чув-
ствительность ОЭП; частотная характеристика; спектр мощности шумов; температурная характеристика; вольтовы характеристики; зонные характери-
стики; апертурные характеристики; градационная характеристика ОЭП; по-
рог контрастной чувствительности; эксплутационные и конструктивные осо-
бенности ОЭП. Световая характеристика (люкс амперная) представляет зависимость ве-
личины выходного тока от величины светового потока, строго определенного спектрального состава, I f ( )
соответствующего спектру стандартного источника) - это энергетическая характеристика. Одним из важнейших параметров ОЭП является дифференциальная чув-
ствительность ОЭП. Она определяется как: 32
Q=
I/
Ф (1.29) Она, как правило, отличается от чувствительности в рабочей точке: Q
р
=I
р
/Ф
р
(1.30) Частотная характеристика, определяющая зависимость чувствительно-
сти Q
ОЭП
, от частоты модуляции оптического излучения: Q
d
=
φ
1
(f
м
). Спектр мощности шумов - зависимость, описывающая распределением дисперсии шума 2
iщ
по частотам: )(
2
2
f . Температурная характеристика, показывающая как изменяются различ-
ные параметры ОЭП (например, Q, шумы и др.) при изменении температуры чувствительного слоя. Вольтовы характеристики, которые выражают зависимость таких пара-
метров приемников излучения как интегральная чувствительность, уровень шума и др., от питающего напряжения: Q
img
=
φ
3
(U
ОЭП
). Апертурные характеристики, выражающие зависимость амплитуды вы-
ходного сигнала ОЭП от числа чередующихся черно-белых полос, наклады-
ваемых на поверхность светочувствительного слоя. Эта характеристика оп-
ределяет разрешающую способность ОЭП. Градационная характеристика ОЭП, выражающая связь между контра-
стом регистрируемых сигналов и величиной перепада сигнала. На основе световой характеристики, записываемой обычно в результате аппроксимации в виде: o
k
ф
I , (1.31) где к - постоянный коэффициент, - показатель степени определяемой зависимости. Электрический контраст определяется зависимостью: max
/
ф
I
ф
I
э
K
, (1.32) где ф
I
- перепад выходного сигнала, maxф
I
- максимальное значение сигнала. Значение электрического контраста связано с контрастом по потоку: K
n o o
/
max
, (1.33) где o
- перепад в падающем световом потоке, omax
- максимальное значение потока. 33
Эта связь имеет вид: K K
э n
1 1( )
鸞
Обычно K
э
1, поэтому: K
э
K
n
. (1.35) Как следует из последнего выражения при степенной характеристике функции преобразования ОЭП равным контрастом на входе ОЭП соответст-
вуют равные (пропорциональные) изменения электрического контраста ОЭП. Порог контрастной чувствительности - равный величине контраста по потоку, при котором формируется перепад выходного сигнала, достаточный для регистрации отличия в величине светового потоков. Этот параметр зави
-
сит от общей величины потока, на котором определяется перепад от контра-
стности тока. Эксплутационные и конструктивные особенности ОЭП оценивают на-
бором таких параметров как: площадь и топология светочувствительного слоя; оптические свойства с коэффициентами преломления и отражения, апертурный угол; напряжения питания и способ его подведения; температура светочувствительного слоя и средства ее стабилизации; виброустойчивость, вибропрочность, ударная прочность и др. параметры, определяющие механи-
ческие, климатические, динамические условия эксплуатации и свойства ОЭП. 1.4.1. Типовые функциональные элементы фотометрических ИП Перечислим типы наиболее широко распространяемых ОЭП и их основ-
ные технические характеристики и параметры. Первым важнейшим функциональным элементом оптических ИП явля-
ется источник излучения, используемый для воздействия (облучения) света на исследуемую пробу жидкости. Известно применение нескольких видов источников: ламп накаливания и светодиодов. Лампы накаливания.
К их достоинствам могут быть отнесены: деше-
визна, высокие эксплуатационные качества, легкость управления световым потоком, большой выбор. Лампы накаливания бывают непрерывного излуче-
ния, импульсного излучения, вакуумные, газонаполненные (соединение гало-
генов). В лабораторных оптических ИП широко применяются ксеноновые, дейтериевые ртутные лампы высокого давления. Светодиоды
- это элементы, в которых реализуется явление излуча-
тельной рекомбинации p-n - переходов. К их достоинствам могут быть отне-
сены: малые габариты, экономичность, высокий коэффициент преобразова-
ния мощности тока, проходящего через p-n - переход в видимое или инфра-
34
красное излучение до 50 %, достаточно высокая монохроматичность излуче-
ния, возможность электрической модуляция светового потока. Большой вы-
бор световодов, а так же фотодиодов позволяет разрабатывать оптические ИП, хорошо приспособленные к решению той или иной задачи путем созда-
ния специальных спектрально согласованных структур оптопар «светодиод - фотодиод». Оптопара может быть выполнена в едином конструктивном ис
-
полнении, а их масса может составлять единицы граммов. Основными мате-
риалами для изготовления светодиодов служит арсенид и фосфид галлия, со-
единения типа GaJnP и GaAsP . В качестве ИИ могут использоваться ОКГ. Излучение такого источника в значительной степени является монохромати-
ческим, когерентным, направленным и поляризованным, что делает приме-
нение этих ИИ весьма эффективным. Также применяются ИИ на основе ис-
крового разряда и электрической дуги. Вторым важным элементом оптического ИП является оптический фильтр, являющийся практически обязательным. Иногда в процессе измере-
ний оптических характеристик ИБС используется несколько фильтров. Ос-
новной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика пропускания () и величина оптической плотности D. По виду спектральной
характеристики фильтры подразделяются на: - полосовые, обеспечивающие пропускание в узком диапазоне длин волн и отсекающие излучение с длинами волн, не входящими в этот диапазон, - фильтры, пропускающие излучение с большей или меньшей, чем за-
данная, длинной волны. Выбор фильтра существенно влияет на отношение сигнал/шум, полу-
чаемые на выходе оптических АИУ. Другими требованиями, предъявляемыми к фильтрам, является механи-
ческая прочность, стабильность характеристик при разных условиях работы, технологичность изготовления. Известно применение нескольких типов фильтров. Это - абсорбционные, интерференционные и нейтральные. Абсорбционные отличает от остальных избирательность поглощения излучения. Они изготавливаются из твердых, жидких, газообразных избира-
тельно поглощающих сред. К ним относятся цветные стекла, окрашенный желатин
, пластмассы, пленки германия, кремния, пары Cl
2
, Br
2
, щелочно - галоидные соли и другие материалы. Для монохроматизации инфракрасных излучений нашли применение кристаллической пластинки из некоторых диэлектриков NaCl, кварц и др., а в длинноволновой инфракрасной области спектра в качестве отсекающих при-
меняются дифракционные решетки - эшелоты, действующие как регулярные, шероховатые поверхности. Интерференционные фильтры основаны на явлении интерференции из-
лучения в пластинках и тонких пленках. Эти фильтры обладают очень узкой полосой пропускания - единицы нанометра (10
-9
). Такую полосу пропускания можно получить двумя путями. Первый - интерференцией двух поляризо-
ванных лучей (поляризационно-интерфереционные фильтры). Второй - мно-
35
голучевой интерференцией при многократных отражениях между параллель-
ными полупрозрачными зеркалами. Из других способов реализации избирательного пропускания можно от-
метить так же использование эффекта полного внутреннего отражения и яв-
ления дисперсии излучения в веществе и окружающей среде. Интерференци-
онные фильтры широко применяются в спектрофотометрических приборах. Нейтральные фильтры необходимы для ослабления или разделения
по-
тока излучения без изменения спектрального состава. Они имеют, как прави-
ло, равномерную спектральную характеристику пропускания в рабочем для оптического ИП диапазоне длин волн и интегральный коэффициент пропус-
кания меньше 1. Интерференционный фильтр не единственный функциональный элемент оптических ИП для формирования монохроматического излучения. В лабо-
раторных спектрофотометрах широко используются различные конструкции монохроматоров: зеркальные, решетчатые, призменные. Среди других функциональных узлов оптических ИП наибольшее раз-
нообразие в принципах конструктивного построения имеют: прерыватели излучения, позволяющие реализовать процесс формирования импульсных потоков (вращающиеся диски, ячейки Керра и др.); компенсаторы; конденса-
торы; линзы; объективы и т.п. Среди большого разнообразия оптических АИУ можно выделить: по ко-
личеству используемых
кювет (одно- и двухканальные преобразователи); по способу введения светового луча в ИБС (импульсные и непрерывные); по способу создания импульсных потоков (с прерываниями или с импульсными источниками излучения); по спектру падающего светового потока (с непре-
рывным (сплошным) спектром светового потока или со спектром светового потока имеющим разрывы в спектре (перепады) т.
е. широких или узких); по принципу временной засветки ИБС световым потоком в разных участках спектра (с последовательной во времени засветкой ИБС разными участками спектра оптического луча и с параллельной засветкой ИБС т.е. одновремен-
но во всех участках спектра луча); по количеству одновременно неисполь-
зуемых фотоэлектрических преобразователей (с одним или с
несколькими преобразователями ОЭП). При разработке оптических ИП достаточно часто возникает задача по исключению "паразитной" засветки и потоков света, рассеиваемых деталями оптических элементов и узлов. При решении этой задачи часто применяют концепцию так называемых световых замков, при реализации которых детали оптических ИП, а так же внутренние поверхности кюветных отделений ИП чернятся (
воронением, электрохимически, окрашиванием). Большое число деталей оптических сис-
тем ИП (монохроматоров, компенсаторов и др.) требуют прецизионного ис-
полнения с привлечением высоких технологий, в том числе и технологий точной механики. Одним из жестких требований при разработке и изготовлении кювет для ИЖ является требование плоскостности и параллельности их стенок, перпен-
36
дикулярных ходу лучей. Основными материалами при изготовлении кювет является кварц, обычное стекло, кварцевое стекло, плексиглас, полистирол и другие прозрачные для выбранной области спектра материалы. Выводы: Несмотря на широкие диагностические возможности фотометрических методов, техническое обеспечение исследований живого организма разрабо-
тано еще недостаточно. Совершенствование существующих и создание но-
вых методик, так необходимых для клинической практики, а также разработ-
ка новых дешевых приборов с высокими эксплуатационными характеристи-
ками возможны только при условии эффективного использования новейших научно-технических достижений и
в первую очередь оптоэлектроники и ее элементной базы, микроэлектроники и волоконно-оптической техники. Можно указать несколько перспективных направлений развития фотометри-
ческой техники для клинико-физиологических исследований. 1.
Разработка упрощенных, недорогих и узкоспециализированных приборов для выполнения отдельных видов анализа. Это направление пред-
ставлено большой группой гемоглобинометров, оксиметров, сахариметров и др. При разработке таких приборов спектральный и динамический диапазон, чувствительность, точность и производительность выбираются с учетом спе-
цифики соответствующего исследования. 2.
Разработка упрощенных многоцелевых приборов, рассчитанных на небольшое количество исследований или на работу в узком спектральном диапазоне. 3.
Разработка спектральных анализаторов, отличающихся сложны-
ми оптическими системами, широким выбором источников излучения в раз-
ных областях спектра, высококачественными системами регистрации ин-
формации. 4.
Разработка общеаналитических приборов высокого класса на модульном принципе, позволяющих с помощью основного прибора и раз-
личных вспомогательных блоков проводить различные исследования и реги-
стрировать конечный результат как в графической, так и в цифровой формах. Такие приборы могут быть многоканальными, т.е. дают возможность прово-
дить одновременно анализ нескольких проб, и многопрограммными, позво-
ляющими осуществлять одновременно несколько анализов на одной пробе. 5.
Разработка автоматических комплексных анализаторов, вклю-
чающих оптические блоки в качестве внешних (интерфейсных) устройств, которые сопрягаются с ПЭВМ для комплексной обработки всей исследова-
тельской информации. 37
2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов Изучение механизма реакции оседания эритроцитов имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение; выяснение сущности процесса оседания и причин, вызывающих в одних случаях ускорение его, а в других - замедление, создает основу для определения принципов интерпре-
тации показаний СОЭ клинической практике. На протяжении длительного периода времени, в течение которого про-
водилось изучение феномена оседания эритроцитов, для его объяснения была предложена не одна теория и указано большое количество фактов, которые могут оказывать влияние на процесс оседания. Однако и до сих пор суть это-
го явления остается невыясненной. При изучении механизма реакции оседания эритроцитов можно наме-
тить три основных вопроса: 1. Определение факторов, оказывающих влияние на оседание, и выяснение, какие из них являются определяющими этот процесс и каким, так или ина-
че влияющим на его течение, можно придавать второстепенное значение; 2. Выяснение путей и способов влияния вышеуказанных факторов на оседа-
ние (механизм в узком смысле этого слова); 3. Изучение причин, обуславливающих количественное содержание в крови вещества, влияющего на оседание, или его качественное изменение. Обилие факторов, предложенных в процессе изучения и разработки во-
проса, касающегося механизма оседания эритроцитов, а также изменения взглядов на роль каждого из них на протяжении многих лет разрешения дан-
ной проблемы, повлекло за собой создание значительного
числа теорий, объ-
ясняющих сущность феномена оседания эритроцитов. Основываясь на изучении публикаций и данных экспериментальных исследований, можно предложить следующее объяснение механизма седи-
ментации эритроцитов. Кровь является естественной сложной дисперсной системой, вклю-
чающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодействии как между собой, так и с эритроцитами. В основе реакции оседания эритро-
цитов лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание сус-
пензий является процессом, происходящим во времени; отмечая величину СОЭ, фактически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов; это происходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобулинов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве содержатся в плазме. Центральным
звеном механизма увеличения СОЭ следует считать ско-
рость образования эритроцитарных агломератов in vitro. Если наблюдать в микроскоп за процессом оседания цитратной крови в капилляре в случае ус-
коренного оседания эритроцитов, можно заметить образование более или ме-
нее крупных эритроцитарных скоплений. Иногда это можно наблюдать и не-
38
вооруженным глазом, особенно при резком увеличении СОЭ. Согласно зако-
ну Стокса, скорость падения взвешенных в жидкости частиц прямо пропор-
циональна квадрату их радиуса. Естественно, чем быстрее происходит в ка-
пилляре агломерация эритроцитов и чем крупнее формирующиеся частицы, тем выше должна быть СОЭ. Следует подчеркнуть, что в каждом конкретном случае СОЭ в
конеч-
ном счете зависит от соотношения сил, нарушающих стабильность взвеси эритроцитов, и сил, стабилизирующих ее. Такое представление о механизме СОЭ является ключом к пониманию и правильной клинической оценке сложных и, на первый взгляд, иногда непонятных изменений оседания. Од-
нако процесс седиментации эритроцитов отличается от простого падения свободно взвешенных в жидкости частиц и, следовательно, не полностью подчинен закону Стокса. Основным фактором, влияющим на образование монетных столбиков из эритроцитов, является белковый состав плазмы крови. Все белковые мо-
лекулы снижают Z-потенциал эритроцитов (отрицательный заряд, обуслов-
ленный отрицательно заряженными группами сиаловых кислот на эритроци-
тарной мембране, который способствует взаимному отталкиванию эритроци-
тов и поддержанию их
во взвешенном состоянии), но наибольшее влияние оказывают асимметричные молекулы— фибриноген, иммуноглобулины, а также гаптоглобин. Влияние каждого из белков на скорость оседания эрит-
роцитов изучено экспериментально, например, показано, что ускоряющий эффект фибриногена в 33 раза выше, чем -глобулина, в 18 раз выше - -
глобулина и в 3 раза - -глобулина. Альбумины несут на своей поверхности заряд, обволакивая эритроци-
ты, они препятствуют склеиванию эритроцитов и предотвращают оседание их. Глобулины имеют более высокую молекулярную массу и меньший за-
ряд, поэтому увеличение содержания глобулинов снижает устойчивость, стабильность эритроцитов, при этом усиливаются процессы агломерации их и оседания. Тарелли и Вестергеном была предложена формула
, по которой можно рассчитать СОЭ, зная концентрацию в крови фибриногена, альбуминов и глобулинов. СОЭ, мм/ч = 140,4фибриноген(г%) + 62,22 глобулины(г%) – (1.36) 60,9 альбумины (г%) - 24.5. Согласно этой формуле, особое влияние на скорость оседания оказы-
вает содержание фибриногена. Однако степень ускорения в конечном итоге зависит от взаимоотноше-
ния белков с учетом
феномена ингибиции (торможения одними белками ус-
коряющего влияния на оседание эритроцитов других белков). Обобщая данные литературы, можно выделить 2 основные группы фак-
торов, влияющих на оседание эритроцитов: 1.
Морфологические факторы. 39
Важную роль в оседании эритроцитов играют их количество в единице объема крови, форма и диаметр, а также количество гемоглобина в эритро-
цитах. С ростом концентрации эритроцитов растет сопротивление движению и скорость их оседания в плазме падает. При количестве эритроцитов более 5,5
л оценка СОЭ вообще невозможна. В связи с этим при малых кон-
центрациях (например, при анемиях) скорость оседания может быть значи-
тельно повышена, в то время как агрегация выражена слабо. Поэтому пред-
лагаются различные формулы для нормализованного показателя оседания типа: СОЭ = 72 – 1,5N(14 – N) или СОЭ = 42 – 7,5N, (1.37) где показатель СОЭ выражен в миллиметрах за 1 час, а N – числовая кон-
центрация эритроцитов в миллионах в одном кубическом миллиметре. Однако при учете влияния количества эритроцитов на скорость их осе-
дания следует учитывать также свойства той плазмы, в которой она происхо-
дит, поэтому установление прямой математической зависимости между ко-
личеством красных кровяных шариков и реакцией оседания не всегда оправ-
дано. На показатели СОЭ также оказывают влияние форма и размер эритро-
цитов. Число, форма и размер эритроцитов также влияют на оседание. Эритро-
цитопения ускоряет оседание, а эритроцитоз его замедляет, однако при вы-
раженной серповидности, сфероцитозе, анизоцитозе скорость оседания эрит-
роцитов может быть низкой, несмотря на
анемию, поскольку форма клеток препятствует образованию монетных столбиков. В то же время увеличенные в объеме эритроциты (макроциты) оседают быстрее мелких (миафоцитов), это хорошо прослеживается при выраженном анизоцитозе, когда верхняя граница эритроцитарного столба в капилляре оказывается нечеткой из-за разной скорости оседания. 2.
Физико-химические факторы. На Z - потенциал и оседание эритроцитов влияют также и физико-
химические факторы: рН плазмы: сдвиг в сторону ацидоза - снижает, в сторону алкалоза - повышает СОЭ; ионный заряд плазмы: его снижение ускоряет оседание; содержание желчных кислот и желчных пигментов: увеличение их количества ведет к уменьшению СОЭ; липиды крови: при увеличении содержания холестерина СОЭ увели-
чивается; вязкость крови: при ее увеличении СОЭ уменьшается; наличие антиэритроцитарных антител: изо- и аутоагглютинины, из-
меняя специфически эритроцитарную поверхность, способствуют их склеиванию и ускоряют оседание. 40
Ускоряющие СОЭ факторы способствуют быстрому склеиванию эрит-
роцитов в крупные агломераты. К подобным факторам относятся субстан-
ции, накапливающиеся в крови при инфекционных воспалительных процес-
сах, опухолевом росте, некрозе тканей. Такими веществами являются: фиб-
риноген, глобулин, гаптоглобин, церулоплазмин, гиалуроновая кислота, хон-
дроитинсерная кислота, парапротеины. циркулирующие иммунные комплек-
сы, декстраны, жировые эмульсии, пероральный прием контрацептивов, би-
септола, кортизона. К факторам, ускоряющим СОЭ, относятся также бере-
менность и анемии. К числу факторов, препятствующих агломерации эритроцитов и, сле-
довательно, снижающие СОЭ относят: увеличение количества эритроцитов в единице объема крови, уменьшение диаметра эритроцитов (микроцитоз) и их формы (серповидность), повышение вязкости крови, снижение температу-
ры в рабочей комнате, сдвиг рН в кислую сторону, нарастание в крови со-
держания билирубина, желчных кислот, холестерина, легких полипептидных цепей (белков Бенс-Джонса), при приеме лекарственных препаратов (диуре-
тиков, салицилатов, глюкозы, хинина). В последние годы получены факты, свидетельствующие о связи фено-
мена СОЭ с явлениями иммунитета. СОЭ может повышаться при агломера-
ции
эритроцитов ввиду адсорбции на их поверхности антигенов и антител. Кроме этого, имеются основания предположить, что замедляющее зве-
но механизма СОЭ контролируется нервной системой. Еще Э. Бернацкий отметил, что при некоторых психических заболеваниях СОЭ резко уменьша-
ется. Отчетливое снижение СОЭ наступает после тяжелого сотрясения го-
ловного мозга. Как показали специальные исследования, уменьшение СОЭ может зависеть от ускоренного выхода из костного мозга высокозаряженных эритроцитов, что увеличивает стабильность эритроцитной взвеси. Ретикуло-
цитоз часто сопровождается тенденцией к снижению СОЭ. Это отмечается, например, при вдыхании углекислого газа, при лечебном применении глю-
кокортикоидов, введении витамина B
12
у больных пернициозной анемией и т. д. Тенденция к уменьшению СОЭ, по-видимому, является одним из глу-
бинных гематологических проявлений при острых ситуациях, что препятст-
вует агломерирующему действию ускоряющих СОЭ субстанций. Таким образом, оседание эритроцитов представляет собой феномен фи-
зико-химического порядка. Однако, СОЭ, будучи связана со сложными кол-
лоидными сдвигами в клетках и тканях и представляя собой один из показа-
телей клеточной реакции, является отражением некоторых биохимических изменений в организме. В тоже время имеются данные, позволяющие счи-
тать, что эта реакция является также проявлением более глубоких биологи-
ческих процессов, связанных с иммунологическим состоянием организма. На основании изложенного можно сделать вывод
, что изменение СОЭ, явля-
ясь в конечном итоге функцией физико-химических изменений крови, за-
висит от состояния всего организма в целом, его обменных процессов и ней-
рогуморальной регуляции, что обуславливает принципы его клинического применения. 41
2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм агрегации эритроцитов Реология — это область механики, которая изучает особенности тече-
ния и деформации реальных сплошных сред, одними из представителей ко-
торых являются неньютоновские жидкости со структурной вязкостью. Типичной неньютоновской жидкостью является кровь. Реология крови, или гемореология изучает механические закономерности и особенно измене-
ния физколлоидных свойств крови в процессе циркуляции с различной ско-
ростью
и на различных участках сосудистого русла. Движение крови в организме определяется сократительной способно-
стью сердца, функциональным состоянием кровеносного русла, свойствами самой крови. При сравнительно малых линейных скоростях течения частицы крови смещаются параллельно друг к другу и оси сосуда. В этом случае поток кро-
ви имеет слоистый характер, и такое течение называют ламинарным. Если линейная скорость увеличивается и превышает определенную величину, раз-
личную для каждого сосуда, то ламинарное течение превращается в беспоря-
дочное, вихревое, которое называется «турбулентным». Скорость движения крови, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное, опреде-
ляется с помощью числа Рейнольдса, которое для кровеносных сосудов со-
ставляет приближенно 1160. Данные о
числах Рейнольдса свидетельствуют, что турбулентность возможна лишь в начале аорты и в местах ветвления крупных сосудов. Движение крови по большинству сосудов ламинарно. Кроме линейной и объемной скорости кровотока движение крови по сосуду характеризуется еще двумя важными параметрами, так называемым «напря-
жением сдвига» и «скоростью сдвига». Напряжение сдвига означает силу, действующую на единицу поверхности сосуда в направлении, тангенциаль-
ном к поверхности и измеряется в дин/см
2
, или в Паскалях. Скорость сдвига измеряется в обратных секундах (с
-1
) и означает величину градиента скоро-
сти движения между параллельно движущимися слоями жидкости на едини-
цу расстояния между ними. Вязкость крови определяется как отношение на-
пряжения сдвига к скорости сдвига, и измеряется в мПас. Вязкость цельной крови зависит от скорости сдвига в диапазоне 0,1 — 120 с
-1
. При скорости сдвига >100 с
-1
изменения вязкости не столь выражены, а после достижения скорости сдвига 200 c
-1
вязкость крови практически не изменяется. Величину вязкости, измеренную при высокой скорости сдвига (более 120 — 200 с
-1
), называют асимптотической вязкостью. Принципиальными факторами, влияющими на вязкость крови, являют-
ся гематокрит, свойства плазмы, агрегация и деформируемость клеточных элементов. Учитывая подавляющее большинство эритроцитов по сравнению с лейкоцитами и тромбоцитами, вязкостные свойства крови определяются в основном красными клетками. Главнейшим фактором, определяющим вязкость крови, является объ-
42
емная концентрация эритроцитов (их содержание и средний объем), назы-
ваемая гематокритом. Гематокрит, определяемый из пробы крови путем цен-
трифугирования, составляет примерно 0,4 — 0,5 л/л. Плазма является ньютоновской жидкостью, ее вязкость зависит от тем-
пературы и определяется составом белков крови. Более всего на вязкость плазмы влияет фибриноген (вязкость плазмы на 20% выше вязкости сыво
-
ротки) и глобулины (особенно Y-глобулины). По мнению некоторых иссле-
дователей более важным фактором, ведущим к изменению вязкости плазмы, является не абсолютное количество белков, а их соотношения: альбу-
мин/глобулины, альбумин/фибриноген. Вязкость крови увеличивается при ее агрегации, что определяет нень-
ютоновское поведение цельной крови, это свойство обусловлено агрегацион-
ной способностью эритроцитов. Физиологическая агрегация эритроцитов — процесс обратимый. В здоровом организме непрерывно происходит динами-
ческий процесс «агрегация – дезагрегация», и дезагрегация доминирует над агрегацией. Свойство эритроцитов образовывать агрегаты зависит от гемодинами-
ческих, плазменных, электростатических,
механических и др. факторов. В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих механизм агре-
гации эритроцитов. Наиболее известной на сегодняшний день является тео-
рия мостикового механизма, согласно которой на поверхности эритроцита адсорбируются мостики из фибриногена или других крупномолекулярных белков, в частности Y-глобулинов, которые при уменьшении сдвиговых сил способствуют агрегации эритроцитов. Чистая сила
агрегации является разно-
стью между силой в мостиках, силой электростатического отталкивания от-
рицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей дезаг-
регацию. Механизм фиксации на эритроцитах отрицательно заряженных макромолекул: фибриногена, Y-глобулинов — пока не вполне понятен. Име-
ется точка зрения, что сцепление молекул происходит за счет слабых водо-
родных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса. Существует объяснение агрегации эритроцитов посредством истощения - отсутствия высоко-
молекулярных белков вблизи эритроцитов, в результате чего появляется «давление взаимодействия», сходное по природе с осмотическим давлением макромолекулярного раствора, что приводит к сближению суспендирован-
ных частиц. Кроме этого, существует теория, по которой агрегация эритро-
цитов вызвана собственно эритроцитарными факторами, которые приводят к уменьшению дзета-потенциала эритроцитов и изменению
их формы и мета-
болизма. Таким образом, вследствие взаимосвязи между агрегационной способ-
ностью эритроцитов и вязкостью крови для оценки реологических свойств крови необходим комплексный анализ этих показателей. Одним из наиболее доступных и широко распространенных методов измерения агрегации эрит-
роцитов является оценка скорости седиментации эритроцитов. Однако в сво-
ем традиционном варианте этот
тест является малоинформативным, так как не учитывает реологические характеристики крови. 43
2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов С позиции законов физической химии оседание эритроцитов является своеобразной формой оседания суспензий. Кровь представляет собою с фи-
зико-химической точки зрения полидисперсную систему, включающую в се-
бя вещества с различной степенью дисперсности: эритроциты находятся во взвешенном состоянии, белки образуют коллоидный раствор, а некоторые другие органические вещества (мочевина, глюкоза и другие) и соли представ-
ляют собою истинный раствор. Оседание эритроцитов, таким образом, про-
исходит в сложной по своему составу дисперсной среде. Рассмотрение механизма СОЭ может быть понято более детально с точки зрения законов оседания суспензий, причем необходимо учитывать, что оседание суспензий подчиняется законам коагуляции гидрофобных кол-
лоидов. При этом наиболее существенными моментами
являются изменение дисперсности оседающей суспензии и наличие веществ, определяющих не-
стойкость взвеси. Что касается первого момента, то его выражением при осе-
дании эритроцитов является агломерация последних, которая является, как было изложено выше, наиболее существенным звеном в механизме РОЭ. Что касается второго момента, то из приведенного обзора литературы следует, что наиболее ясную зависимость с оседанием эритроцитов обнаруживают белки крови. Роль белков плазмы вытекает из трех серий наблюдений: параллелизм в изменении скорости оседания эритроцитов и содержании отдельных белковых фракций плазмы; факт оседания эритроцитов в чистых растворах белков, причем скорость оседания изменяется параллельно изменению концентрации раствора бел-
ков; клинические наблюдения, свидетельствующие о том, что РОЭ повышена обычно при тех болезненных состояниях, при которых наблюдается нако-
пление в крови грубодисперсных белков. При этом следует учитывать неодинаковое значение различных белко-
вых фракций плазмы. Наиболее постоянная зависимость устанавливается между оседанием эритроцитов и фибриногеном плазмы. Известно, что для оседания суспензий (аналогично тому явлению, которое имеет место при коагуляции коллоидов) существенное значение имеют не только свойства вещества, обус-
ловливающего этот процесс (в данном случае фибриногена, являющегося лиофильным коллоидом), но и его количество, что объясняет наблюдаю-
щуюся корреляцию между уровнем фибриногена и выраженностью агломе-
рации эритроцитов. Кроме того, известно, что оседание суспензий (также как коагуляция
коллоидов) является процессом, протекающим во времени, что объясняет, почему оседание эритроцитов может протекать быстрее и мед-
леннее. Это также связано с уровнем цифр фибриногена в плазме. Известно также, что в дефибринированной крови оседание эритроцитов почти не на-
44
блюдается. Таким образом, очевидно, фибриноген является основным веще-
ством, приводящим взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние и обуслов-
ливающим ее оседание. В то же время детальное рассмотрение связи между скоростью оседа-
ния эритроцитов и уровнем фибриногена показывает, что не всегда она ока-
зывается прямой и постоянной. Можно наблюдать при этом, что при
относи-
тельно небольших величинах фибриногена у больного констатируется до-
вольно высокая скорость оседания: оказывается, что в таких случаях повы-
шено количество глобулинов; сочетание, особенно высоких цифр, фибрино-
гена и глобулинов сопровождается очень высокой РОЭ. Важно также под-
черкнуть, что оседание эритроцитов может быть более или менее ускорено у больных со значительным уменьшением количества альбуминов, в то же время при его высоких величинах (как это имеет место у здоровых) РОЭ не высока. Таким образом, глобулиновая и альбуминовая фракции плазмы также принимают участие в течение процесса оседания, причем у альбуминов кон-
статируется тормозящая тенденция, а глобулины проявляют свое действие в сочетании с фибриногеном
(в дефибринированной крови лишь очень высо-
кие цифры глобулинов вызывают оседание эритроцитов). Разнообразная роль различных белковых фракций в процессе оседания также находит свое объяснение при рассмотрении механизма РОЭ с точки зрения законов оседания (коагуляции) и может быть объяснена явлениями коллоидной защиты и сенсибилизации. Сущность процесса коагуляции состоит в следующем: высокоустойчи-
вые частицы того или иного лиофильного золя адсорбируются на поверхно-
сти лиофобных частиц и тем самым предохраняют их от непосредственного соприкосновения одна с другой, а, стало быть, и от агрегации. Коллоидная защита самым тесным образом связана с другим явлением прямо противопо-
ложного характера. Оно состоит в том, что прибавление некоторых лиофиль
-
ных коллоидов к лиофобному не только не увеличивает, но, напротив, пони-
жает порог коагуляции и уменьшает устойчивость этого последнего. Явление это носит название сенсибилизации и заключается в том, что сенсибилизи-
рующий коллоид отнимает от лиофобного адсорбированные на его поверх-
ности стабилизирующие частицы. Поскольку суспензии оседают по законам коагуляции лиофобных коллоидов, все изложенное имеет также прямое от-
ношение к суспензиям. С этой точки зрения влияние альбуминов на оседание эритроцитов мо-
жет быть интерпретировано как явление защиты; влияние глобулинов — свя-
зано с сенсибилизацией: по-видимому, глобулины сенсибилизируют взвесь эритроцитов к влиянию фибриногена. Можно полагать, что при очень боль-
ших количествах глобулины также могут
выступать в качестве фактора, при-
водящего взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние, что может объяс-
нить те сравнительно редкие данные эксперимента, когда в дефибринирован-
ной крови можно наблюдать оседание эритроцитов. Как следует из изложенного, в основе реакции оседания эритроцитов 45
лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание суспензий является процессом, происходящим во времени; отмечая величину РОЭ, фак-
тически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов, сопровож-
дающуюся более или менее выраженной скоростью ее оседания; это проис-
ходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобули-
нов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем
или меньшем количестве имеются в плазме. Более выраженная устойчивость взвеси эрит-
роцитов обусловлена постоянным присутствием в плазме альбуминов, в то время как с фибриногеном и глобулинами связана ее неустойчивость. Таким образом, может быть объяснен механизм реакции оседания эритроцитов. Изложенная физико-химическая теория оседания эритроцитов, не претендуя на исчерпывающую полноту, позволяет, с одной стороны, объяс-
нить некоторые неясные стороны явления оседания, а с другой - синтезиро-
вать ряд противоречивых данных, имеющихся в литературе по вопросу о механизме реакции оседания эритроцитов. Считая фибриноген основным астабилизатором взвеси эритроцитов, нельзя ограничивать объяснение механизма оседания только лишь влиянием белков плазмы, считая их роль в явлениях оседания ведущей
, поскольку не исключе возможности участия других ингредиентов плазмы в явлениях за-
щиты и сенсибилизации; в частности, можно рассматривать полипептиды как фактор защиты. С точки зрения явлений защиты и сенсибилизации мо-
жет рассматриваться также роль различных фракций глобулинов, мукопро-
теидов, мукополисахаридов и других веществ, описываемых в качестве фак-
торов, играющих роль в механизме оседания эритроцитов. Кровь является естественной сложной дисперсной системой, вклю-
чающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодейст-
вии как между собой, так и с эритроцитами. С точки зрения предлагаемого объяснения механизму реакции могут быть объединены различные теории оседания, как, например, электрохими-
ческая и теория лабильности коллоидов плазмы
. В самом деле, процесс коа-
гуляции (седиментации) представляет собою сложное явление, для течения которого помимо явлений защиты и сенсибилизации, имеет значение ряд до-
полнительных условий. Известно, например, что седиментация наступает в изоэлектрическом пункте коллоида (правило Гарди); существенным является также влияние электролитов и среды, в которой находятся взаимодействую-
щие вещества (концентрация Н-ионов); велико значение рН и для явлений защиты. Таким образом, с точки зрения предлагаемого объяснение оседание эритроцитов не является только показателем изменений соотношения белков плазмы, а течение РОЭ определяется всей совокупностью физико-
химических изменений крови. Процесс оседания эритроцитов немонотонен во времени и можно вы-
делить 3 четко выраженных фазы: В I фазе
под действием земного притяжения эритроциты медленно оседают отдельными клетками. Эта фаза короткая. 46
Во II фазе, более длительной, происходит склеивание эритроцитов. Они образуют кучки различной величины, которые оседают уже более быст-
ро. Агломерация эритроцитов является основным феноменом оседания эрит-
роцитов. Без агломерации эритроциты крови здорового человека осели бы за 1 ч на 0,2 мм. В III фазе оседание эритроцитов замедляется за счет того, что агломе-
раты располагаются очень густо, что замедляет их дальнейшее оседание. Дробным (через каждые 10 мин) регистрированием опускающегося уровня пограничной зоны показано, что при оседание агрегирующихся эрит-
роцитов человека происходит соответственно кривой, изображенной на рис. 1.5.: вначале, в течение нескольких минут, падение медленное, затем оно ус-
коряется на 30 - 40 мин, а через 90 - 120 мин граница эритроцитарного столба экспоненциально выходит на практически окончательный уровень. Иногда обнаруживается S-образность седиментационной кривой h(t): первые 15 — 60 мин опускание границы плазма - эритроциты происходит крайне медленно или не происходит вообще. Вслед за этим наступает весьма быстрая фаза седиментации. «Перекрестное» исследование оседания эритро-
цитов из такой крови в совместимой плазме (лиц с обычной седиментацией) показало, что фактор, задерживающий
начало реакции, содержится в эритро-
цитах, причем задержка сильно зависит от рН и температуры. Рис. 1.5. S-образная седиментационная кривая; h—толщина слоя плазмы; кружки — значения h
i
. В начале оседания, т. е. за время от одной до нескольких минут, нет четкой границы раздела между чистой плазмой и оседающими эритроцита-
ми. В дальнейшем весь столбик крови в капилляре постепенно разделяется на три зоны (рис. 1.6.): 1.
Зона чистой плазмы
. Начинается от верхнего мениска жидкости и доходит внизу до раздела чистой плазмы и оседающих эритроцитов. Над поверхностью раздела име-
ются отдельные эритроциты (или маленькие агрегаты) в весьма малой кон-
центрации, по-видимому, отмытые от стенок трубки вторично после прохода верхней границы эритроцитарного столба, а также вынесенные из эритроци-
47
тарной зоны восходящими потоками; чем выше, тем меньше число и размер таких «отставших» агрегатов. Рис. 1.6. Восходящие и нисходящие потоки в прямой (1) и наклонной (2) седиментационных трубах: а — зона чистой плазмы, б — зона потоков, в — компактная зона. 2.
Зона оседающих эритроцитов.
При малых концентрациях на фоне общего движения вниз существуют нисходящие и восходящие потоки эритроцитов. При больших концентрациях касающиеся друг друга агрегаты создают впечатление единого эритроцитар-
ного остова (сети). При этом вытесняемая плазма пробивает в остове извили-
стые ходы, по которым поднимается с довольно значительной скоростью вверх, увлекая за собой небольшие агрегаты и отдельные эритроциты. В результате экспериментов было предложено дополнительное деление зоны оседающих эритроцитов 2 еще на три подзоны: 2-1) Верхняя спокойная подзона.
Это самая верхняя, высотой 0,5 — 1 мм часть эритроцитарного столба со случайным расположением клеток, ко-
торые оседают независимо друг от друга примерно с одинаковой скоростью. 2-2) Подзона потоков.
Наиболее значительная часть эритроцитарного столба, которая включает потоки эритроцитов, движущиеся вверх и вниз и возникающие из предыдущей зоны, то ускоряясь, то замедляясь (рис. 3) и разворачиваясь вверх. Обычно бывает не более двух потоков в каждом на-
правлении, а вдоль стенок таких потоков не наблюдается. В этой подзоне, в слое толщиной 50 мкм, эритроциты оседали много медленнее, чем в центре зоны. 2-З) Нижняя спокойная подзона.
Расположена тотчас над компактной зоной 3. Размеры - как и в верхней спокойной подзоне. 3.
Компактная зона.
В этой нижней зоне трубки все эритроциты касаются один другого, движение практически отсутствует, концентрация их максимальна. Расположение восходящих потоков в вертикальной трубке имеет слу-
чайный характер. В наклоненных капиллярах восходящие потоки вполне ре-
гулярны (рис. 3) и ускоряют оседание: уже в первые минуты кровь разделя-
ется на слой плазмы и слой эритроцитов по всей длине трубки, и оседание представляет собой сочетание дальнейшего расслоения эритроцитов и плаз-
48
мы, со всплыванием чистой плазмы вверх и опускания столба эритроцитов вниз. Одиночные эритроциты человека во время оседания вращаются так, что смена способа движения (ребром вниз, наклонно или плоско) происходит приблизительно три раза в минуту. Больше половины времени падения эрит-
роцит движется ребром вниз и скорость такого оседания (0,99 мкм/с) больше, чем
скорость при движении наклонно (0,87) или плоской поверхностью вниз (0,76). Средняя скорость оседания одиночного эритроцита в физиологиче-
ском растворе (вязкость 10
-3
Па с, плотность 10
-3 кг/м
3
)
равна 0,9, хотя разброс за счет различий в диаметрах эритроцитов, их плотностях и способах падения велик: от 0,59 до 1,20 мкм/с. Опускание эритроцитов (и агрегатов) сопровождается вытеснением плазмы вверх, т. е. оседание всегда сопровождается возникновением течения. Независимо от того, принимает ли оно форму крупномасштабных восходя-
щих и нисходящих потоков, это течение сопровождается вращением
и флук-
туациями эритроцитов. Сдвиговый характер течения в крупных потоках и мелкомасштабные движения могут вторично повлиять на оседание, а именно - ускорить его по мере усиления агрегации эритроцитов. Другими словами, агрегация, усиливающая начальное оседание, должна приводить к ускорению возникающих микротечений, а поэтому – к дальнейшему усилению агрега-
ции. Таким образом, и экспериментальные
исследования, и физико-
химическая теория седиментации эритроцитов показывают, что центральным движущим звеном процесса оседания эритроцитов является агломерация эритороцитов под влиянием физико-химических факторов изменения крови. 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капилляре Основой теоретического анализа процесса оседания эритроцитов слу-
жит обобщенная формула Стокса в виде: f
fp
fp
k
gvv
3/2
)( (1.38) где v
p
(x,t) и v
f
(x,t) - скорости эритроцитов и плазмы в данный момент вре-
мени в данном сечении седиментационной трубки; p
и f
- истинные плотности эритроцитов и плазмы; - вязкость плазмы; k - коэффициент, зависящий от среднего размера и формы эритроци-
тарных агрегатов и их объемной концентрации H, характеризующий взвесь в сечении x в момент времени t; - средний объем одного агрегата; g - ускорение силы тяжести. Формула (1.38) представляет собой следствие закона сохранения коли-
чества движения и имеет смысл
условие приближенной равномерности (ква-
зистационарности) движения. Формула (1.38) превращается в формулу Сто-
кса для сферической частицы, падающей в безграничной среде, когда v
f
= 0 и 49
k = (6)
-1
(4/3)
1/3
. Соотношение (1.38) содержит неизвестные функции от x, t: скорости v
p
(x,t) и v
f
(x,t), H и N = H/, где N – числовая концентрация агрегатов. Связь между v
p
(x,t) и v
f
(x,t) дается законом сохранения массы смеси, т.е. в данном случае формулой 0)1( HvHv
fp
и поэтому: 3/2
3/2
)1(
)(
N
HkH
gv
f
fp
p
, (1.39) С позиции общей теории оседание (как относительное движение фаз в смеси) представляет собой диффузию, вызванную несобственным беспоря-
дочным движением частиц, а действующей на них внешней силой. Формула (1.39) есть определяющее соотношение для двухфазной сре-
ды, имеющее смысл закона диффузии взвешенных частиц. Данная теоретическая модель седиментации эритроцитов достаточно сложна и не имеет практической реализации. Кроме этого, произвольность выбора некоторых коэффициентов при числе оптимизируемых параметров более двух. Поэтому представляется целесообразным: -
во-первых, максимально упростить формализм математической модели; -
во-вторых, заложить в модель реальные механические свойства эритроци-
та (форму, объем, площадь поверхности, мембраны, деформируемость). Диапазон практической применимости в этом случае существенно рас-
ширяется. С этой точки зрения интересной является модель, предложенная И.В.Ямайкиной и Э.В.Ивашкевичем. Математическая модель седиментации эритроцитов построена при ис-
ходных допущениях: 1.
Оседание происходит «единым фронтом», без деления на зоны; 2.
Концентрация эритроцитов в столике постоянна по всей высоте и в каж-
дый данный момент зависит только от длины столбика и исходной кон-
центрации эритроцитов; 3.
Оседающие частицы можно считать сферическими; 4.
Для каждого отдельного эритроцита или агрегата вся остальная среда представляется сплошной с некоторыми усредненными значениями плот-
ности (H
0
) = (1-H
0
) и вязкости (H
0
) = (1 + H
0
2
); 5.
Эффекты спутанного увлечения плазмы не учитываются. Рассмотрим случай оседания эритроцитов в гравитационном поле. В ходе процесса их концентрация в столбике возрастает. В некоторый момент вре-
мени t скорость частиц на границе раздела будет выражаться как )(
11
)(
1
)(
2
2
0
2
0
00
th
hH
th
hH
A
tv
, (1.40) 50
где H
0
– объемная концентрация эритроцитов; h(t) – высота столбика оседающих эритроцитов; H
0
– предельная высота столбика осевших эритроцитов; - реологический параметр; t – время; А – скорость падения эритроцита в вязкой жидкости (Re<<1). Коэффициент A рассчитывается по формуле Стокса: 9
2
2
gR
A
, (1.41) где g = 9,8 м/с – ускорение свободного падения; R – гидродинамический радиус сопротивления эритроцита или агрегата клетки; - разность плотностей оседающей частицы и среды; для эритроцита в плазме = 50 кг/м
3
, для эритроцита в изотоническом буфере (5% раствор цитрата на-
трия pH 7,4) = 100 кг/м
3
- вязкость среды. Длина столбика плазмы при этом равна: .)()(
0
0
t
dvthh (1.42) Подставим (1.40) в (1.42) и продифференцируем правую и левую части. В результате преобразований получим в левой части функцию высоты стол-
бика эритроцитов, а в правой – линейную функцию времени: At
h
h
hH
Hh
hHh
hHhh 0
00
00
00
000
ln
1
ln)1( (1.43) Рассмотрим предельные случаи. В начале процесса, при t0, кинетика оседания выражается линейным уравнением Athh
0
(1.44) При больших временах, зависимость становится экспоненциальной и также хорошо согласуется с опытом: )exp()1(
00
ktHHH
(1.45) где K – константа скорости оседания. Из формулы (1.45) видно, что зависимость СОЭ от показателя гематок-
рита при малых величинах H
0
линейна; при увеличении концентрации эрит-
роцитов она становится гиперболической. Это хорошо согласуется с данны-
ми опыта. Как видно из (1.45) начальная СОЭ и константа скорости оседания К пропорциональны квадрату среднего радиуса частицы. При осаждении эрит-
)1(
00
hH
A
k
51
роцитов в плазме эта величина намного больше среднего радиуса эритроцита вследствие агрегации. Таким образом, измеряя h(t) при известном показателе гематокрита H
0
, при помощи математической модели можно вычислить средний радиус час-
тиц R и реологический параметр крови. Вывод
: Предложенная в настоящей работе математическая модель осе-
дания эритроцита в капилляре содержит всего два параметра оптимизации (реологический и радиус гидродинамического сопротивления клетки, каж-
дый из которых имеет реальный физический смысл. Она удовлетворительно описывает экспериментальные данные, имеющиеся в литературе. С помощью данной модели возможно исследование реологии эритроцитарных суспензий по измерениям кинетики
оседания эритроцитов и вычисления реологическо-
го параметра без применениям вискозиметра. Кроме этого, математическая модель позволяет вычислять радиус гидродинамического сопротивления клетки эритроцита, среднее число клеток в агрегатах эритроцитов по форму-
ле N = R
3
/ R
3
е
, где R
е
= 4 мкм – условный радиус эритроцитов. 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ Весьма существенное значение для получения правильных показаний СОЭ и для правильной оценки имеет методика постановки реакции. Существуют макро- и микрометоды определения скорости оседания эритроцитов. Кровь берут из вены (первая группа методов) или из пальца (вторая группа методов), смешивают с раствором какого-либо антикоагулян-
та, обычно оксалата или цитрата натрия (1 часть
разводящей жидкости и 4 части крови), помещают в градуированный стеклянный сосуд (пипетку) и ус-
танавливают ее вертикально. При оценке скорости оседания за постоянную величину принимают время (1 ч), относительно которого оценивают пере-
менную величину - оседание. В нашей стране распространен микрометод в модификации Панченко-
ва Т.П. Он принят в качестве унифицированного. Принцип:
цельная кровь, консервированная цитратом натрия, при стоянии в капиллярах Панченкова разделяется на два слоя (эритроциты, плазма). Ре-
активы: 5% раствор цитрата натрия, рН которого должен быть 7,0 или 7,2 (нейтральная или слабощелочная). Проба стабильна в течение 2 ч при 25° С и 12 ч при 4° С. Оборудование
: аппарат Панченкова, представляющий собой специальную градуированную капиллярную пипетку, имеющую просвет в 1 мм и длину 100 мм. Ход определения
: Пипетку предварительно промывают 3,7% раствором цитрата натрия, затем набирают этот раствор в пипетку до метки «70» (30 52
мкл) и выливают на дно пробирки Видаля. Кровь из пальца насасывают тем же капилляром - сначала целый капилляр, затем еще до метки «80» (120 мкл). Количество цитрата и крови может быть разное - 25 мкл цитрата и 100 мкл крови, 50 мкл цитрата и 200 мкл крови, но соотношение их должно быть обя-
зательно 1:4. Кровь помещают в пробирку с
цитратом и после тщательного перемешивания вновь набирают в капиллярную пипетку до метки «О». Ка-
пилляр с цитратной кровью ставят в штатив вертикально между двумя рези-
новыми прокладками и оставляют на час. Через час определяют величину оседания по столбику плазмы над осевшими эритроцитами, деление капил-
лярной пипетки соответствующее границе плазмы и эритроцитов, записыва-
ют как величину СОЭ в миллиметрах в час. При определении СОЭ венозной крови в качестве антикоагулянта при взятии крови используют ЭДТА-Na
2
(1 - 2 кристаллика на 1 мл крови, пере-
мешивать 1 - 2 мин), а затем все, как описано выше. Результаты оценивают по линии раздела жидкой части и клеточных элементов. Очень часто при анемиях нет резкой границы между эритроцитами и плазмой за счет «вуали» из ретикулоцитов. Эта «вуаль» причисляется к столбику плазмы. Несмотря на простоту выполнения микрометода
Панченкова, при его постановке требуется соблюдать аккуратность и точность. Основные причины ошибок при постановке теста СОЭ: недостаточная глубина прокола иглой Франка. Это приводит к тому, что кровь приходится выжимать из пальца с известным усилием. Отсюда – травматизация капилляров, перемешивание крови с лимфой, что суще-
ственным образом влияет на скорость оседания. Нарушение соотношения цитрата с кровью. При постановке реакции осе-
дания важно соблюдать точность соотношения цитрата и крови (1:4). Бо-
лее концентрированный цитрат извлекает воду из эритроцитов и ускоря-
ет оседание. Менее концентрированный цитрат (гипотонический) вы-
зывает поступление воды в эритроцит и замедляет СОЭ. Качество самого цитрата. 5% раствор цитрата должен быть немутным и иметь рН нейтральный или щелочной. Кислая соль цитрата непригодна для постановки СОЭ. Размешивание крови с цитратом. Нужно хорошо размешивать кровь с цитратом во избежании сгустков. Недостаточное перемешивание крови с цитратом приводит к задержке оседания. Следует стремиться осуществ-
лять перемешивание крови с цитратом насасываем смеси в капилляр строго определенное число раз, чтобы избежать длительное перемешива-
ния, травмирующего эритроциты. Загрязнение капилляров сгустками крови, остатками. Необходимо хоро-
шо промывать капилляр цитратом перед работой. Неоткалиброванные капилляры. Температурный фактор. Оптимальная температура 18 – 22 0
С, при более низкой температуре оседание замедляется, при более высокой – ускоря-
53
ется. СОЭ в капиллярах следует устанавливать не позднее 2 ч от момента взятия крови. Для экспресс - метода используют модификацию микрометода Панчен-
кова, которая заключается в измерении СОЭ в наклонных капиллярах. Из-
вестно, что любой наклон ускоряет оседание эритроцитов, и скорость оседа-
ния в этом случае, до известной степени, обратно пропорциональна углу их
наклона. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптималь-
ный угол наклона пробирки 45
0
. Метод был предложен Т.Я. Гуровичем и П.А. Подрабинеком. Подобные исследования проводились в биохимической лаборатории 7-ой городской клинической больницы г. Казани и на базе Ка-
занской Государственной Академии Ветеринарной медицины. Эксперимен-
тальные исследования показали, что в этом случае оседание эритроцитов идет направленно только под влиянием их агрегационных свойств без учета случайной составляющей, вызванной спонтанной агрегацией в гравитацион-
ном поле. Кроме этого, значительно сокращается продолжительность анализа (до 15 минут). Однако результаты этого метода не приведены в соответствие стандартным значениям показателя СОЭ, что существенно уменьшает их ди-
агностическую ценность и вызывает некоторую скептическую реакцию со стороны врачей. С другой стороны, возможности метода позволяют не только проводить анализ скорости оседания эритроцитов, но также оценивать их агрегацион-
ную способность и определять величину гематокрита. Это требует разработ-
ки новой методики оценки результатов экспресс – анализа агрегационных свойств эритроцитов. 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в динамике Как вытекает из изложенного, в основу учета показаний СОЭ в клиниче-
ских условиях принят принцип выявления скорости оседания эритроцитов за определенный отрезок времени - один час, поскольку этот период наиболее четко характеризует течение процесса оседания. Уже в первые годы практического применения реакции появились ра-
боты, указывающие на клиническое значение определения СОЭ через
корот-
кие промежутки времени. При этом высота столбика осевших эритроцитов фиксируется через отдельные промежутки времени (обычно каждые пятна-
дцать минут), данные наносятся на ось ординат и точки, определяющие ве-
личину оседания за отдельные отрезки часа, соединяются. Кривая оседания позволяет не только судить о величине оседания, но и его характере. В последующем такая методика исследования получила название фракционной скорости оседания эритроцитов. В норме, т.е. у здорового человека, оседание эритроцитов происходит равномерно и не превышает 2 – 3 мм за каждые 15 минут. При максимальном оседании эритроциты в первой и второй четверти часа следует думать об ак-
тивном воспалительном процессе. Принципы метода определения фракционной СОЭ используются
в ме-
54
тоде сигма – СОЭ, предложенного французскими ревматологами в 1972 г. для определения эффективности лечения ревматоидного артрита. Особен-
ность метода сигма – СОЭ заключается в использовании гепанизированной венозной крови, предварительная стандартизация гематокрита (0,35 г/л) и четырехкратный учет величин седиментации эритроцитов с последующим подсчетом суммы полученных показателей. Благодаря унификации гематок-
рита отчетливо выявляется влияние на СОЭ
различных ингридиентов плаз-
мы: белков, липидов, мукополисахаридов, концентрации желчных кислот и желчных пигментов, что свидетельствует о динамичности метода сигма – СОЭ и, как показали исследования, увеличивает его диагностическую цен-
ность. Однако данный метод является более трудоемким, чем метод Панчен-
кова, т.к. требует предварительной стандартизации гематокрита. Модификацией метода определения фракционной СОЭ является «Спо-
соб контроля физиологического состояния человека», разработанный в ЗАО Центр «Анализ веществ» Воейковым В.Л., Гурфинкель Ю.И. и др. (патент RU 2103672 кл. G01N15/05, 1998). Способ осуществляется следующим образом: при постановке теста ис-
пользуется микрометод в модификации Панченкова. Особенностью метода состоит в измерении времени прохождения границей эритроциты - плазмы заранее выбранных отрезков (например, 0,1, 0,5 или 1 мм), либо в фиксиро-
вании положения границы эритроциты - плазма через равные промежутки времени. Второй способ более просто поддается автоматизации. Такие изме-
рения выявляют колебания скорости оседания эритроцитов в ходе измерения, картина которых более точно отражает физиологическое обследуемого. Про-
тотипы данного метода не позволяют выявить подобных колебаний. На ос-
новании полученных
измерений получают зависимость скорости осаждения эритроцитов от времени, характеризующуюся времени до начала колебаний скорости, частотой колебаний, максимальными значениями СОЭ, продолжи-
тельностью периода колебаний, которые является характеристичными для физиологического состояния обследуемого. Данный способ контроля физиологического состояния позволяет повы-
сить диагностическую ценность теста СОЭ путем получения дополнительной информации о физиологическом состоянии человека на основе анализа зави-
симости скорости оседания эритроцитов от времени измерения. По мере углубленного изучения реакции оседания эритроцитов в ди-
намике появилось ряд работ, исследующих зависимость различных характе-
ров кривых оседания от физиологического состояния человека. По мнению Л. Д. Штейнберга, кривые оседания более четко характери-
зуют понятие «норма», чем скорость оседания
эритроцитов за час. У здоро-
вых людей, независимо от возраста, оседание происходит сравнительно рав-
номерно, и кривая представляет собой несколько волнистую линию, прибли-
жающуюся к горизонтальной. При наличии ряда патологических процессов максимум оседания, со-
провождающийся выбуханием кривой, отмечается в начальные моменты ре-
акции: кривая «сдвигается влево». 55
Л. Д. Штейнберг различает четыре типы кривых оседания в зависимо-
сти от реактивности организма: 1)
гиперреактивные, когда наиболее выражена величина оседания в первую-
вторую четверть часа; подобное явление наблюдается в острой фазе пато-
логического процесса на фоне резко повышенной общей реактивности ор-
ганизма (ревматизм, крупозная пневмония); 2)
реактивные, когда наиболее выражена скорость оседания во вторую или третью четверть часа; это имеет место при острых инфекционных заболе-
ваниях, протекающих с достаточной реактивностью (тифы, скарлатина); 3)
гипореактивные, когда максимум оседания происходит в четвертый - пя-
тый отрезок времени; подобные кривые обнаруживаются у выздоравли-
вающих больных или при заболеваниях, протекающих с пониженной ре-
активностью; 4)
ареактивные плоские кривые со скоростью оседания за каждые 15 минут по 0,5 – 1 мм, они наблюдаются у больных, сопротивляемость которых резко снижена, при тяжелых общих процессах подобные кривые могут рассматриваться как прогностически плохой признак (финальная фаза ту-
беркулезного менингита). По мнению Г.И. Бурчинского, объединяющим принципом для различ-
ных типов кривых является не принадлежность кривой к тому или иному за-
болеванию, а характер процесса и общая величина за один час. Тип кривой зависит от общей величины оседания за первый час: сдвиг кривой «влево» тем больше выражен, чем больше скорость оседания в течение первого часа. При большой скорости оседания, как правило, наблюдаются наибольшие выбухания в
первую или вторую четверть первого часа; точно также, чем ниже оседание, тем равномернее выглядит кривая. При этом необходимо подчеркнуть, что при остро протекающих заболеваниях или обострениях хронических процессов чаще всего наблюдается максимальный подъем в первую или, реже, во вторую четверть первого часа, то есть сдвиг кривой «влево» характеризует острый характер
течения процесса. Подобные кривые с выбуханием в первую четверть первого часа наблюдаются у больных в острой стадии ревматизма, при крупозной пневмонии, при нарастании эксу-
дата в полости плевры, при острых лейкозах, при злокачественном ма-
локровии на высоте заболевания. По мере затихания процесса наблюдается сглаживание кривой, идущее параллельно уменьшению часовой скорости оседания; при этом нередко от-
мечается, что в то время как величина, характеризующая скорость оседания за час, еще не успевает значительно измениться, уже можно уловить измене-
ние характера кривой: уменьшается разница оседания в первую и во вторую четверть первого часа, а иногда, наоборот, оседание во вторую четверть пер-
вого часа превышает
оседание за первую четверть. Наличие различных типов кривой оседания требует выяснения причин, которые обусловливают различный характер течения процесса оседания на протяжении первого часа. Существует мнение, что тип кривой оседания свя-
зан с накоплением в крови глобулина, являющегося полидисперсным белком, 56
и с преобладанием в плазме той или иной его дисперсной фазы: превалиро-
вание грубодисперсного глобулина сопровождается выбуханием кривой в первые четверти первого часа; накопление глобулина с преобладанием час-
тичек средней величины сопровождается выбуханием кривой в средней час-
ти, а глобулин, изобилующий мелкими частичками, обусловливает выбуха-
ние в конце кривой. Таким образом
, кривая оседания является, в сущности, изображением «дисперсного спектра» глобулинов данной сыворотки. Экспериментальные исследования показывают, что -
если агломерация выражена резко, констатируется ясный сдвиг кривой влево с выбуханием ее либо в первую, либо во вторую четверть первого часа; -
если увеличение фибриногена в крови выражено значительно, почти все-
гда наблюдается выбухание кривой в первую четверть первого часа; -
в случаях, когда наблюдается одновременное увеличение фибриногена и глобулина и скорость оседания особенно высока, имеет место особенно резко выраженное выбухание кривой в первую, а также и во вторую чет-
верть первого часа; -
в случаях, когда уровень глобулина резко повышен, а фибриноген увели-
чен в крови нерезко, наблюдается характерный сдвиг влево, но с макси-
мумом оседания во вторую четверть первого часа. -
при нерезком увеличении содержания глобулина, при средних величинах ускорения наблюдается более равномерный тип кривой оседания. Таким образом, тип кривой оседания эритроцитов, по-видимому, мо-
жет быть связан с преобладанием в плазме крови тех или иных белковых фракций. Эти данные стоят в соответствии с изложенными выше взглядами на роль альбумина, глобулина и
фиброгена в процессе оседания. С точки зрения коагуляционной теории оседания изменения в характере кривой, по-
видимому, могут рассматриваться как проявление явной и скрытой коагуля-
ции (седиментации). Таким образом, фракционная реакция оседания эритроцитов является более точным методом исследования, чем суммарная величина СОЭ за час и имеет большую диагностическую ценность и информативность
. Анализ про-
цесса оседания эритроцитов в динамике открывает новые возможности для экспресс-метода СОЭ. Однако вместе с этим повышается трудоемкость про-
ведения анализа и требуется дополнительная обработка результатов исследо-
вания. Одним из рациональных решений является разработка методов авто-
матической регистрации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике. 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрегационных свойств клеток крови В настоящее время многие исследователи уделяют большое внимание изучению реологических свойств крови на уровне микроциркуляции, кото-
рые определяется ее агрегационными характеристиками. Для полного описа-
57
ния феномена агрегации необходимо определить адекватные характеристики агрегационного процесса, такие как 1.
Время, необходимое для формирования дуплетов и сети монетных столбиков агрегатов эритроцитов; 2.
Координатное число укрупненных агрегатов в единице объема; 3.
Оценка факторов, вызывающих агрегацию. В настоящее время ни один из методов не дает возможности определе-
ния всех трех параметров. В зависимости от используемой техники могут быть определены одновременно один либо два параметра. Исчерпывающую информацию об агрегационных способностях эритроцитов, таким образом, можно получить лишь используя по крайней мере две методики. Обычно ис-
пользуют две группы методов в зависимости от их способности производить либо статические, либо кинематические измерения. Проведем классификацию методов гемореологических исследований, позволяющих определять агрегационные и реологические свойства крови. 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ Одним из самых широкоизвестных и доступных методов непрямого из-
мерения агрегационных свойств крови является оценка скорости седимента-
ции эритроцитов. В настоящее время в клинико-диагностических лаборато-
риях применяется ручной метод определения скорости седиментации эрит-
роцитов в вертикальной пробирке, при котором пробирку с исследуемой пробой помещают в аппарат Панченкова, и процесс оседания
эритроцитов наблюдается визуально, а измерение величины СОЭ проводится через огра-
ниченный промежуток времени – один час. Скорость падения сферы в жид-
кости по формуле Стокса прямо пропорциональна разности плотностей сфе-
ры и жидкости и квадрату радиуса шара и обратно пропорциональна вязко-
сти жидкости. Измеряя показатель СОЭ и оценивая вязкость плазмы, соот-
ветствующее уравнение можно решить относительно эффективного диаметра агрегата. Однако скорость оседания сильно зависит от величины гематокрита и температурного фактора. Кроме этого, осаждение в вертикальной пробирке осуществляется при неконтролируемом напряжении сдвига, когда остаются неизвестными факторы образования и распада монетных столбиков агрегатов и значительную роль играет спонтанная агрегация, вызванная влиянием гра-
витационного поля
. Данных недостатков лишен метод определения скорости оседания эритроцитов в наклонных пробирках, однако в виду несоответствия получаемых в этом случае результатов со стандартизированными значениями СОЭ, данный метод не нашел широкого применения. Модификацией анализа СОЭ является оценка скорости оседания эритроцитов в динамике – фракци-
онное СОЭ. Этот метод более трудоемкий и требует дополнительных вре-
менных затрат со стороны исследователя. В этом случае одним из рацио-
нальных решений является использование методов автоматической регист-
рации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике. Существует 3 автоматических метода исследования СОЭ в динамике: 58
1.
Кондуктометрический метод; 2.
Электрокинетический метод. 3.
Фотометрический метод; Кондуктометрический метод регистрации СОЭ основан на измерении сопротивления крови с постоянно оседающими эритроцитами. Электриче-
ский ток, проходящий через кровь, крайне мал – примерно 0,2 мА, напряже-
ние 0,25 В, частота 10 кГц. Эритроциты при данной частоте практически яв-
ляется диэлектиками. Вследствие этого электрическое сопротивление крови между электродами при оседании эритроцитов на дно ячейки
увеличивается, причем степень этого увеличения зависит от количества осевших эритроци-
тов. Электрическое сопротивление крови регистрируется в динамике и опре-
деляется как разность между сопротивлениями в данной точке (через 5, 10, 30 и 60 мин) и начальным сопротивлением крови. Однако исследования по-
казали, что данный метод является менее чувствительным, чем ручной метод Панченкова. Кроме этого
, кондуктометрический метод не позволяет оцени-
вать агрегацию эритроцитов. Разновидностью кондуктометрического метода является определение гематокритного числа по электропроводности крови. Принцип этого метода основан на различии удельного электрического сопротивления эритроцитов и плазмы крови на низких частотах тестового воздействия (до 25 кГц). При этом рост концентрации форменных элементов крови приводит к повыше-
нию удельного электрического сопротивления крови. В основу электрокинетического метода исследования скорости оседания эритроцитов положен эффект Дорна. Он состоит в том, что при движении за-
ряженных частиц в неподвижном столбе жидкости в ней возникает разность потенциалов. Известно, что одним из факторов, вызывающих агрегацию эритроцитов, является величина заряда мембраны. При ее увеличении воз-
растает способность
эритроцита к агрегации. Измерение потенциала Дорна позволяет определить электрокинетическую характеристику оседания эрит-
роцитов. Функциональная схема такого прибора представлена на рис. 1.7. Рис. 1.7. Функциональная схема. К седиментационному сосуд 1, в котором находится исследуемая сус-
пензия эритроцитов 2, подведены отводящие электроды 3, подключенные ко входу электрометрического усилителя 4. Его входной сигнал поступает на согласующее устройство 5 и далее на регистратор 6. Седиментационный со-
суд термостатируется термостатом 7. Вся измерительная часть тщательно эк-
ранируется от возможных электрических и магнитных наводок. 59
В эксперименте используется нативная кровь, разведенная в физиоло-
гическом растворе в соотношении 1:50, антикоагулянты при этом не приме-
няются. Диаметр седиментационного сосуда 10 мм. Осаждение проводится в гравитационном поле Земли. Используются электроды второго класса: коль-
цевой, игольчатый и точечной формы. Плоскость их расположения в про-
странстве перпендикулярна вектору скорости осаждения эритроцитов. Рас-
стояние
между электродами составляло 10 мм. Температура проведения экс-
перимента 20 – 23
0
. Для регистрации возникающей разности потенциалов используется электрометрический усилитель с высокоомным входом. Зарегистрированная электрокинетическая кривая оседания эритроци-
тов представлена на рис. 1.8. По оси абсцисс отложено время, по оси ординат – относительное значение измеряемого потенциала. Видно, что вся седимен-
тационная характеристика промодулирована синусообразным сигналом с частотным диапазоном 0,02 – 0,07 Гц. По мере оседания эритроцитов ампли
-
туда сигнала уменьшается. Исследования показали, что частота и амплитуда модулирующего сигнала зависит от состояния крови в целом. Согласно со-
временным теоретическим и экспериментальным данным, потенциал Дорна определяется зарядом, концентрацией и скоростью оседания частиц, а также электропроводностью среды, поэтому кинетика электрокинетической кривой имеет сходство с кривой оседания эритроцитов. Рис. 1.8. Электрокинетическая кривая оседания эритроцитов. Таким образом, электрокинетические исследования эритроцитов при их седиментации являются косвенным методом оценки агрегационных свойств крови. Однако электрокинетический метод в настоящее время нахо-
дится лишь на стадии исследования и еще не получены его количественные характеристики. Кроме этого, метод позволяет оценивать лишь один из фак-
торов, влияющих
на агрегационные свойства крови, – заряд мембраны эрит-
роцитов и не учитывает вязкость крови и величину гематокрита. Фотометрический метод регистрации СОЭ в динамике основан на из-
мерении интенсивности светового потока, прошедшего через всю поверх-
ность исследуемой пробы крови. Функциональная схема прибора изображена на рис. 1.9. 60
Рис. 1.9. Функциональная схема прибора. Излучение от источника света 1 поступает на стандартную пробирку для определения СОЭ 3. В первоначальный момент времени она перекрыва-
ется столбиком крови 4. По мере оседания эритроцитов интенсивность излу-
чения, прошедшего через исследуемую пробу, возрастает вследствие увели-
чения слоя плазмы, хорошо пропускающего излучение. Далее сигнал преоб-
разуется к удобному
для обработки и регистрации виду блоком 8 и поступает на самописец 9, который регистрирует кривую оседания эритроцитов. Дан-
ный метод является лишь простым способом регистрации фотометрических свойств крови и не позволяет адекватно оценивать размеры образующихся агрегатов эритроцитов. Для оценки степени агрегации крови предложено устройство для гра-
фической регистрации фракционного состава эритроцитов, основанное на фотометрическом методе. Функциональная схема такого устройства приве-
дена на рис. 1.10. Рис. 1.10. Функциональная схема устройства для графической регист-
рации фракционного состава эритроцитов. Пробирку с исследуемой пробой крови фиксируют неподвижно в вер-
тикальном положении в специальном держателе. При перемещении каретки 3 с помощью передаточного механизма 6 пучок света 4 проходит через стек-
лянную пробирку 1, заполненную исследуемой жидкостью 2, содержащей эритроциты, и попадает на фотоэлемент 5. Оптическая
плотность пробирки 61
меняется в зависимости от характера распределения эритроцитов на фрак-
ции. Сигнал от фотоэлемента подается на регистрирующее устройство, на котором записывается кривая, характеризующая распределение эритроцитов на фракции. Данный метод позволяет изучать фракционный состав эритро-
цитов. При использовании этого метода в динамике в ходе седиментации эритроцитов возможно изучение кинетики агрегатообразования и оценка размеров
микроагрегатов эритроцитов. 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микроскопическом наблюдении Биомикроскопия является прижизненным исследованием и позволяет оценивать агрегатное состояние эритроцитов непосредственно в кровенос-
ном русле. Основным преимуществом этого метода является его высокая чувствительность и информативность при нарушениях микроциркуляции. Феномен внутрисосудистой агрегации эритроцитов имеет определенное ди-
агностическое и прогностическое значение, поскольку связан с изменениями соотношения белковых фракций плазмы, фибриногена, липидов, наруше
-
ниями кровотока в микрососудах, электрического потенциала эритроцитов, появлениям в крови токсических веществ, метаболитов, непосредственно вы-
зывающих агрегацию эритроцитов. Установлено, что агрегация эритроцитов в различных участках кровотока и в органах, особенно при патологии, выра-
жена неодинаково и может иметь как местное, так и генерализованное рас-
пространение в организме. Одним из способов реализации таких исследова-
ний является применение микрофотографии и телевизионных систем анализа изображений. Наряду с несомненными достоинствами этот метод обладает рядом недостатков, к которым относятся незначительное число исследуемых структур, большая трудоемкость подсчета количества клеток и определения размеров эритроцитарных агрегатов, а также влияние неблагоприятных усло-
вий оперативного вмешательства. Этот метод больше относится к
научно-
исследовательским методам и не может быть использован в амбулаторных условиях. 2.6.3. Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови Фотометрический метод является наиболее распространенным мето-
дом исследования агрегационных свойств эритроцитов. С помощью этого метода возможна количественная оценка агрегатного состояния крови – размеров и плотности микроагрегатов эритроцитов. Кроме этого, фотометри-
ческий анализ отличается от других методов (биомикроскопия, микрофото-
графия) простотой и доступностью, что объясняет его широкое применение в клинической практике. Все
фотометрические методы можно классифицировать по характери-
стике регистрируемого светового потока: 1.
Исследование в проходящем световом потоке. 62
2.
Исследование в отраженном световом потоке. Интенсивность света, прошедшего через слой суспензии эритроцитов, из-
меняется в соответствии с их агрегатным состоянием, которое характеризу-
ется размерами и плотностью образующихся микроагрегатов. Этот принцип используется в фотометре для количественной автоматиче-
ской регистрации агрегации эритроцитов. Функциональная схема этого уст-
ройства приведена на рис. 1.11. Рис. 1.11. Функциональная схема фотометр для количественной автомати-
ческой регистрации агрегации эритроцитов. В качестве основы для фотометра использован микроскоп МИН – 4, ус-
тановленный горизонтально. Капилляр с гепанизированной кровью помеща-
ют в термостатированную кювету 4. Изучаемый образец освещают лампой
накаливания через поляризатор 2 и конденсорную линзу 3. Изображе-
ние клеток строится объективом микроскопа с 20-кратным увеличением
6 в плоскости регистрирующего устройства 7, размещенного в тубусе окуляра. Для повышения контрастности изображения использованы поляризаторы 2, которые установлены так, что оси их практически перпендикулярны друг другу. Вращение второго поляризатора относительно первого позволяет так-
же легко регулировать интенсивность прошедшего через образец света. По-
скольку изменение сопротивления фоторезистора пропорционально интен-
сивности падающего света, показания самописца линейно связаны с интен-
сивностью прошедшего через образец света. Так как изображение капилляра (слоя с глубиной резкости 200 мкм) строится объективом в плоскости реги-
стрирующего устройства, изменение интенсивности прошедшего через обра-
зец света определяется средними размерами образующихся агрегатов эрит-
роцитов и скоростью их движения. В этом случае используют статическое исследование агрегации эритроцитов в определенной точке суспензии крови. Возможности измерения прозрачности крови практически ограничены слоями толщиной 2..3 мм. Так как исследуемая проба крови представляет со-
бой суспензию взвешенных эритроцитов, то на интенсивность прошедшего светового потока будут оказывать большое влияние рассеивающие свойства агрегатов эритроцитов. Кроме этого, при измерении в суспензии взвешенных 63
эритроцитов интенсивность прошедшего светового потока зависит не только от размеров и формы эритроцитов, но и от их объемной концентрации и функционального состояния гемоглобина. В связи с этим более широкое применение получили методы исследования суспензии эритроцитов в отра-
женном световом потоке. Для изучения агрегации эритроцитов применяют метод «силлектро-
метрии», сущность которого состоит в уменьшении светорассеивания после прекращения перемешивания в процессе дезагрегации-агрегации клеток. Этот принцип используется в устройстве «Агрегатометр». Функциональная схема этого устройства приведена на рис. 1.12. Рис. 1.12. Функциональная схема устройства «Агрегатометр». «Агрегатометр» является модификацией микроколориметра МКМФ-1. В заглушке 1, входящей в комплект микроколориметра, размещается лампа микронакаливания 2 таким образом, что свет от нее был направлен на стенку кюветы 3 и после отражения от содержимого кюветы попадал на фотоэле-
мент 5, пройдя предварительно через красный светофильтр 6. Дезагрегацию эритроцитов вызывали интенсивным перемешиванием
мешалкой 7, насажан-
ной на вал электродвигателя. Агрегация эритроцитов регистрируется на гра-
фопостроителе. Разновидностью конструкции агрегатометра является пьезодинамический агрегатометр. В поле микроскопа со встроенным фоторезистором располага-
ется предметное стекло с наклеенным на расстоянии 3 диаметров эритроцита покровным стеклом. На покровном стекле жестко закреплен пьезокристалл, питаемый от звукового генератора. В полость между стеклами вводится про-
ба гепаринизированной цельной крови. По мере увеличения напряжения зву-
кового генератора возрастает мощность колебания верхнего стекла, и агрега-
ты начинают разрушаться. Соответственно меняются экстинция и сигнал с фоторезистора. По достижении полной дезагрегации и выход кривой, регист-
рируемой самописцем, на плато, напряжение сбрасывается и регистрируется процесс спонтанной агрегации. Метод прост
в техническом обеспечении, достаточно информативен, воспроизводим и очень чувствителен. 64
2.7. Методы измерения реологических свойств крови Исходя из исследования реологических характеристик крови и влияющих на них факторов можно заключить, что основное значение для оценки рео-
логических свойств крови имеет ее агрегационное состояние. В настоящее время многие исследователи большее внимание уделяют изучению микро-
реологических свойств крови, хотя использование вискозиметрии не утрати-
ло своей актуальности. Рассмотрим основные методы измерения
реологиче-
ских свойств крови с помощью вискозиметрии. Все существующие вискозиметры условно разделяются на 2 группы: с од-
нородным полем напряжений и деформаций — ротационные реометры с раз-
личной геометрией рабочих частей (цилиндрические, дисковые, конус-
плоскость и др.) и относительно неоднородным полем напряжений и дефор-
маций — капиллярные вискозиметры, приборы, работающие по методу Сто-
кса, по принципу регистрации механических, электрических, акустических колебаний. В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа вис-
козиметров - капиллярные и ротационные. В основу капиллярных вискози-
метров положено плоское сдвиговое течение. В этих вискозиметрах жид-
кость протекает по трубке с точно известными размерами под действием за-
данной разницы давлений между концами трубки. В
ротационных вискозиметрах, или реометрах, сдвиговое течение осуще-
ствляется вращательным движением и рассчитывается по формулам, взятым из гидродинамики. Исследуемую жидкость помещают в зазор между двумя соосными цилиндрами или конусами (могут быть
применены и другие по-
верхности вращения, располагаемые соосно). Один из цилиндров (чаще всего внутренний) укрепляют к динамометру, а другой приводят во вращение с оп-
ределенной угловой скоростью. Вследствие вязкого сопротивления жидко-
сти, заключенной между цилиндрами или конусами, возникает момент вра-
щения. Вязкость оценивают по величине момента вращения. Применяют также вискозиметры, в
которых внутренний цилиндр плавает в испытуемой жидкости. Вязкость в этом случае оценивают по угловой скорости свободно плавающего цилиндра, который может быть приведен во вращение магни-
том, взаимодействующим с железным сердечником, помещаемым внутри ци-
линдра или роторной насадкой, погруженной в передаточную жидкость, за-
ливаемую в полый цилиндр. В настоящее время предложены различные мо-
дификации ротационных реометров. Наиболее распространенные – промыш-
ленные вискозиметры фирмы Brookfield (США), Contraves (Швейцария). У нас широкое распространение получил вискозиметр со свободно плавающим цилиндром конструкции В.Н. Захарченко. Вязкость биологических жидко-
стей ньютоновского типа изучают с помощью вибрационных методов, осно-
ванных на возбуждении колебаний в жидкости и измерении скорости их за-
тихания
(к приборам такого типа относятся ультразвуковые вискозиметры), 65
путем определения времени падения шарика между двумя отметками в труб-
ке, заполненной исследуемой жидкостью (вискозиметр Гепплера) и др. В заключении следует отметить, что несомненный прогресс в развитии реологической техники позволяет изучать биофизические и биохимические свойства крови для управления микрорегуляцией при гемодинамических и метаболических расстройствах. Вместе с этим, на сегодняшний день исполь
-
зование различных методов определения гемореологических параметров не позволяет найти стандарты количественного контроля, что необходимо для клинической практики. Таким образом, несмотря на успехи в исследовании реологических свойств крови, достижения в применении гемореологических методов иссле-
дования в клинике и в приложении этих данных к диагностике, прогнозиро-
ванию течения и исхода заболеваний, актуальной остается задача разработки методов анализа гемореологии, объективно отражающих агрегационные и реологические свойства крови. 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ Изменения крови при заболеваниях крайне разнообразны и зависят от тяжести процесса, общей реактивности организма и сопутствующих ослож-
нений. При анализе гематологических изменений необходимо учитывать, что существенное влияние могут оказывать различные лечебные и диагностиче-
ские воздействия: медикоментозное лечение, оперативные вмешательства, физиотерапия, лучевая терапия, диагностические процедуры. При гематоло-
гической патологии исследования клеток крови
приобретают первостепенное диагностическое значение. Лабораторное обследование необходимо проводить с учетом клиниче-
ских данных и состояния больного. С помощью показателей клеток крови проводится дифференциальная диагностика, выбирается схема лечения, на-
блюдаются результаты терапии и т. д. В сложившейся к настоящему времени системе клинического мышления гематологические данные имеют очень важное значение, так как являются одним из существенных элементов харак-
теристики клинико-физиологического статуса больного и динамики развития болезни. Использование результатов исследования крови составляет неотъ-
емлемое звено процесса диагностики и последующего наблюдения за резуль-
татами развития патологического процесса на фоне проводимых лечебных мероприятий. Исследование скорости оседания эритроцитов (СОЭ) в настоящее вре-
мя является одним из
широко используемых неспецифических гематологиче-
ских тестов. Скорость оседания эритроцитов в норме меняется в зависимости от возраста и пола. У новорожденных СОЭ редко выше 2 мм/ч, вероятно, из-за высокого гематокрита, малого содержания в крови белков вообще и глобу-
линов в частности, гипохолестеринемии, ацидоза; дети имеют более низкую скорость оседания (1 - 8 мм/
ч), чем взрослые, а лица среднего возраста 66
меньше, чем старики (от 11 до 30 мм/ч). У мужчин СОЭ более низкая (в среднем 5 мм/ч, колебания от 1 до 10 мм/ч), чем у женщин (в среднем 9 мм/ч, колебания от 2 до 15 мм/ч), что зависит, как считают, от концентрации в кро-
ви андрогенных гормонов. Скорость оседания увеличивается у женщин во время
беременности (после 3-го месяца) и остается повышенной около трех недель после родов (что зависит частично от увеличения объема плазмы, по-
вышения содержания в крови глобулинов, холестерина и падения кальция), во время менструации (умеренно). Ускорение оседания эритроцитов наблю-
дается при сухоедении, голодании (СОЭ увеличивается параллельно увели-
чению в крови фибриногена и глобулинов вследствие распада белков тка-
ней), введении некоторых лекарственных препаратов (контрацептивы, высо-
комолекулярные декстраны), вакцинации (например, против брюшного тифа) и т.д. Изменения СОЭ, отмечаемые в патологии, нередко имеют диагности-
ческое, дифференциально-диагностическое, прогностическое значение и мо-
гут служить показателем эффективности терапии. Поскольку скорость оседа-
ния эритроцитов зависит в основном от
белковых сдвигов в крови (увеличе-
ния содержания фибриногена, -глобулинов, особенно -макроглобулина и гаптоглобина, -глобулинов), то увеличение СОЭ наблюдается при всех со-
стояниях, сопровождающихся воспалением, деструкцией соединительной ткани, тканевым некрозом, иммунными нарушениями. Связь степени увеличения СОЭ с отдельными клиническими формами внутренней патологии представлена в таблице 1.2. Таблица 1.2. Изменения СОЭ
в патологии Изменения, причины Клинические формы 1.Значительное увеличение: -
Опухолевые заболевания -
Болезни соединительной ткани -
Тяжелые инфекции -
Болезни почек - Выраженные анемии Множественная миелома и макроглобулинемия Вальденстрема, лимфогранулематоз, лимфома, острый лейкоз, карцинома, саркома. Системная красная волчанка, узелковый периартериит, склеродермия. Септицемия, подострый бактериальный эндокардит. Гломерулонефрит, амилоидоз, протекающие с нефротическим синдромом, уремия. Пернизиозная анемия. 2.Умеренное увеличение Острые и хронические заболевания, локализованные гнойные процессы, ревматоидный артрит, геморрагический васкулит, инфаркт миокарда, гипертиреоз, тяжелый сахарный диабет, гепатиты (острый и хронический активный), острый и хронический гломерулонефриты, амилоидоз 67
почек, внутренние кровотечения, интоксиации ртутью и мышьяком. 3.Низкая или отсутствие оседания
Эритремия, анафиликтический шок, тяжелая сер-
дечная декомпенсация, неврозы, эпилепсия, серпо-
видноклеточная анемия, гемоглобинопатия С. При миеломной болезни и макроглобулинемии Вальденстрема ускоре-
ние оседания эритроцитов может быть очень резким (80 - 90 мм/ч), что объ-
ясняется свойственной этим гемопластозам гипер- и дисглобулинемией за счет моноклональной гипериммуноглобулинемии (выработка опухолевым клоном клеток - плазматическими при миеломной болезни и лимфоидными при макроглобулинемии Вальденстрема, иммуноглобулинов какого-либо од-
ного класса - IgG или реже IgA при множественной миеломе и IgM при макроглобулинемии Вальденстрема). Моноклональная иммуноглобулинопатия, обычно IgG-типа, отмечает-
ся также при лимфосаркоме, некоторых других опухолях (карциноме прямой и сигмовидной кишки, карциноме молочной железы и простаты). При острых инфекциях СОЭ начинает увеличиваться со 2 - 3 дня от начала заболевания, максимальные показатели отмечаются сравнительно поздно, иногда, например при крупозной пневмонии, уже
после кризиса в начальной фазе клинического улучшения. Неувеличенная СОЭ характерна для ранних стадий неосложненных вирусных инфекций (болезни Боткина, коклюша и др.), брюшного тифа, первых суток острого аппендицита. Дли-
тельно повышенная СОЭ или новое ее увеличение при инфекциях является диагностическим признаком возникновения осложнений. При рано установ-
ленном туберкулезе легких СОЭ часто нормальная, она повышается с про-
грессированием процесса или присоединением осложнений (плевральный выпот и т. д.) и может быстро снизиться после начала противотуберкулезной терапии (нередко до рентгенологических признаков улучшения). Активный ревматизм сопровождается повышением скорости оседания эритроцитов, но при присоединении сердечной недостаточности кардит может протекать с низкой СОЭ вследствие влияния замедляющих оседание факторов
- сгуще-
ния крови, ацидоза. Их устранение при восстановлении сердечной компенса-
ции ведет к повышению скорости оседания эритроцитов, что, однако, не оз-
начает ухудшения состояния больного. Паренхиматозные поражения печени могут характеризоваться разной степенью увеличения СОЭ, что зависит от различных сочетаний в белковом спектре крови, влияния желчных кислот и других факторов. Так, СОЭ повы-
шается при хроническом активном гепатите (нередко значительно), но может быть низкой при циррозе печени вследствие гипофибриногенемии, гипохоле-
стеринемии, повышенного содержания желчных кислот и билирубина. Заболевания почек обычно сопровождаются резким ускорением оседа-
ния эритроцитов, если протекают с нефротическим синдромом, для которого характерна массивная протеинурия и связанная с ней гипоальбуминемия, ги
-
68
перфибриногенемия, не только относительная, но и абсолютная гиперглобу-
линемия. Увеличение СОЭ свойственно уремии (белковые сдвиги, наруше-
ния электролитного баланса, рН плазмы крови, анемия), раку паренхимы по-
чек, также как злокачественным опухолям другой локализации, особенно с метастазами. Повышение СОЭ отмечается при инфаркте миокарда (в отличие от стенокардии), причем его нужно оценивать с
динамикой лейкоцитоза: лейко-
цитоз возникает в первые сутки инфаркта и затем быстро убывает, а увели-
чение СОЭ начинается через 2 - 4 дня от начала заболевания и держится дольше (так называемые ножницы кривых лейкоцитоза и СОЭ). Ускорение оседания эритроцитов, часто резкое, при системной красной волчанке является важным признаком в оценке активности заболевания (на-
ряду с другими лабораторными показателями - цитопенией крови, LE-
клетками, антинуклеарным фактором, уровнем иммуноглобулинов) и выборе адекватной дозы кортикостероидов, а снижение СОЭ - в контроле эффектив-
ности лечения и стойкости достигнутой ремиссии. Значительное увеличение СОЭ отражает в известной степени активность патологического процесса (иммунологические сдвиги, степень деструктивных процессов в соедини-
тельной ткани) и при других заболеваниях этой группы (узелковый периар-
териит, склеродермия, дерматомиозит) и ревматоидном артрите, причем при ревматоидном артрите оно может служить вспомогательным дифференци-
ально-диагностическим признаком от обменных артритов и остеоартрозов, протекающих обычно с нормальной СОЭ. Болезни обмена веществ, например тяжелый сахарный диабет и тирео-
токсикоз, сопровождаются повышением СОЭ, нарастающей параллельно вы-
раженности
интоксикации и распада тканей и нормализующейся после ус-
пешного лечения. При анемиях степень увеличения СОЭ зависит от числа и свойств са-
мих эритроцитов, она выше при макроцитарных (мегалобластпой) и гемоли-
тических анемиях. Исключением является микросфероцитарная анемия, пари которой форма эритроцитов препятствует агломерации. Таким образом, изменение СОЭ обусловлено разнообразными физико-
химическими изменениями плазмы крови и морфологическими особенно-
стями эритроцитов и имеет глубокий клинический смысл. Вместе с тем, для объективной оценки патологического процесса необходимо проводить ком-
плексный анализ СОЭ в совокупности с гемореологическими характеристи-
ками крови. 69
3. Фотоплетизмография 3.1. Введение в фотоплетизмографию Плетизмография — способ регистрации изменений объема тела или час-
ти его, связанных с динамикой кровенаполнения. Общая плетизмография или body plethys-mography используется для исследования функций внешнего дыхания и минутного объема кровообращения. С помощью плетизмографии можно оценить сосудистый тонус и при использовании различных проб со-
ставить представление об органической или функциональной природе сосу-
дистых изменений
. Регистрация плетизмограмм производится специальными приборами плетизмографами различной конструкции (водяные, электро-, фотоплетизмо-
графы). Каждый из них имеет плетизмографический рецептор и датчик изме-
рительного устройства. В зависимости от характера сигнала, получаемого при изменении кровенаполнения, различают механическую плетизмографию, при которой обследуемая часть тела заключается в герметически закрываю-
щийся сосуд с твердыми стенками, а
колебания объема регистрируются бла-
годаря воздушной или водяной передаче, электроплетизмографию отражаю-
щую динамику электропроводимости в зависимости от степени кровенапол-
нения (она называется также импедансной плетизмографией, реографией, ее разновидности транстрахеальная, полисегментарная, электроплетизмография и др.), фотоэлектрическая плетизмография или денсография, в основе кото-
рой лежит оценка светопроницаемости органов или части тела в зависимости от степени кровенаполнения. Рис. 1.13. Типичный фотоплетизмографический сигнал. На рис. 1.13. представлена типичная фотоплетизмограмма. Значение ам-
плитуды объемного пульса, полного окклюзионного прироста кровенаполне-
ния и объемной скорости кровотока в некоторых частях тела здоровых лиц представлены в табл. 1.3. 70
Таблица 1.3. Часть тела Амплитуда объемного пульса см
3
Полный окклюзион-
ный прирост объема кровенаполнения час-
ти тела в см
3
Объемная скорость кровотока, см
3
/МИН Палец кисти (на 100 см
3
ткани) 0,008 0,015 0,015 0,045 15 30 Голень (на 100 см
3
ткани) 0,09 0,15 0,25 0,6 2,5 6,5 Орбита (глазница) 0,008 0,016 0,001 0,06 1,5 2,5 Покровы черепа в височной области (диаметр воронки рецептора 2 см) 0,004 0,01 0,001 0,05 1,1 1,5 Следует отметить, что электроплетизмография имеет множество недос-
татков. Прежде всего, воздействие даже слабого переменного тока на рецеп-
торы кожи может вызвать рефлекторные изменения кровенаполнения. Кроме того, электропроводность тканей меняется в зависимости от химического со-
става, температуры, вязкости и скорости кровотока, которые непостоянны в процессе исследования. Принципиально от электроплетизмографов отлича-
ются фотоплетизмографы. Под словом "фото" подразумевается принцип ра-
боты датчика. Этот принцип и название были заимствованы медиками из применяемых в физике приборов фотометров. Метод фотоплетизмографии основан на том, что исследуемая ткань че-
рез специальный световод и светофильтры просвечивается монохроматиче-
ским светом, который после рассеивания или отражения попадает на фото-
электропреобразователь, вызывая
изменения фототока. Установлено, что ин-
тенсивность света, отраженного или рассеянного тканью, является функцией количества содержащейся в ней крови. Поскольку коэффициент поглощения инфракрасного света кровью значительно выше, чем тканью, фотоплетизмо-
графия регистрирует лишь изменения содержания крови. При этом рассеива-
ние света происходит в основном за счет отражения от поверхности эритро-
цитов. Фотоплетизмография динамический метод измерения, который может ответить на вопрос, на сколько изменился тот или иной параметр перифери-
ческого кровообращения, исходя из абсолютного нулевого уровня для того или иного человека. Фотоплетизмограф может быть применен для количест-
венного изучения различных параметров кровообращения в коже и слизи-
стых оболочках тела человека и для
количественной регистрации сосудистых рефлексов как показателя состояния сосудодвигательных центров. Фотоплетизмографы по сравнению с электроплетизмографами обладают следующими преимуществами: более высокая чувствительность, линейность 71
измерения датчиком, портативность и быстрота записи, отсутствие помех, связанных с инерционностью преобразователя, возможность регистрации со-
судов в любой области кожи и слизистых оболочек человека. Кроме того, фотодатчик не вызывает сдавления исследуемого участка, т.е. не вносит на-
рушения кровообращения. Основная причина малого распространения фотоплетизмографов это отсутствие единых технических требований к
отдельным узлам современных аппаратов и унифицированной методики количественного анализа кривых, а также нормальных для здорового человека показателей. Области применения фотоплетизмографии трудно перечислить: физио-
логия, патофизиология, терапия, хирургия, дерматология, гинекология, нев-
ропатология, педиатрия, оториноларингология и др. Клиницисты могут ис-
пользовать ее как дополнительный метод для диагностики заболевания и на-
учно-исследовательской работе. Некоторую помощь она окажет гигиенистам, спортивным медикам, а также врачам, работающим в области космической медицины. При преждевременном старении на первый план выступают из-
менения сосудистой реактивности, обусловленные нарушениями вегетатив-
ной нервной системы и периферических сосудов, что важно для геронтоло-
гии. Фотоплетизмогафия, как и другие объективные методы диагностики, уточняет прогноз и
помогает выявить показания к воздействию на вегетатив-
ную нервную систему; она может служить для оценки симпатической иннер-
вации кожи, применяться при дианостики болезни Рейно, ранних форм ате-
росклероза, тромбофлебита, облитерирующего эндартериита и др. Этот ме-
тод может быть контролем глубины спинномозговой анестезии (одновремен-
ная регистрация сосудистых реакций с пальца руки и ноги). Кроме того, фо-
топлетизмография имеет вспомогательное диагностическое и прогностиче-
ское значение при изучении многих сердечно-сосудистых и нервных заболе-
ваний, которые являются сейчас самой частой причиной смерти и инвалид-
ности в молодом возрасте. Существует две разновидности фотоплетизмографических медотов фотоплетизмография в отраженном свете и фотоплетизмография в проходя-
щем свете
. Чаще всего выполняются исследования в проходящем свете, в си-
лу того, что в данном случае осуществляется прямая оценка кровенаполне-
ния в изучаемом участке биологического объекта. Но зачастую бывает до-
вольно сложно провести такие исследования, например, для оптически мало-
прозрачных биологических объектов или для труднодоступных участков объектов. Тогда используют метод фотоплетизмографии в отраженном свете, который не только позволяет оценить общий кровоток в изучаемом участке, но и дает интегральную оценку свойств поверхности исследования. При исследованиях образцов крови и плазмы оказалось, что наимень-
шим коэффициентом пропускания обладает кровь, что определяется наличи-
ем в ней форменных элементов. Наибольший коэффициент отражения уста-
новлен у кожи, наименьший
у хлорвиниловой трубки, заполненной кровью. Для сосудов различного диаметра максимальная величина сигнала для ис-
72
пользуемого датчика достигается на расстоянии 4 мм при исследовании в от-
раженном свете, причем этот показатель изменяется в 4 раза для тканей че-
люстно-лицевой области. Для имитаторов биологических объектов величина сигнала изменяется в 7 раз, а максимальным сигналам не соответствует одно и то же расстояние между имитатором и фотоплетизмографическим датчи-
ком (т.е
. максимумы кривых не лежат на одной и той же вертикальной пря-
мой). Наибольшим коэффициентом пропускания обладает жировая ткань, а наименьшим сосуд, заполненный кровью. Таким образом, эксперименталь-
но установлено, что биологические ткани невозможно иммитировать, по-
скольку полученные при этом результаты исследований неадекватны и зна-
чительно отличаются. Максимальному сигналу при исследовании тканей в проходящем свете соответствует такое положение фотоплетизмографического датчика, при ко-
тором светодиод отстоит от ткани на 2 мм, а фотодиод находится в контакте с ней. Проведенные эксперименты позволяют констатировать, что запись фо-
топлетизмограммы при исследованиях биологических тканей в проходящем свете дает информацию о непосредственном изменении кровотока в них, так как все
изученные ткани относительно "прозрачны" по сравнению с кровью, а запись фотоплетизмограммы в отраженном свете несет в себе информацию только об изменении положения ближайшей к фотоплетизмографическому датчику поверхности. Таким образом, из вышесказанного можно сделать выводы: 1.
Фотоплетизмография имеет вспомогательное диагностическое и прогно-
стическое значение при изучении многих сердечно-сосудистых и нервных заболеваний, которые являются сейчас самой частой причиной смерти и инвалидности в молодом возрасте; 2.
Фотоплетизмографы по сравнению с электроплетизмографами обладают следующими преимуществами: более высокая чувствительность, линей-
ность измерения датчиком, портативность и быстрота записи, отсутствие помех, связанных с инерционностью преобразователя, возможность реги-
страции сосудов в любой области кожи и слизистых оболочек человека. Кроме того, фотодатчик не вызывает сдавления исследуемого участка, т.е. не вносит нарушения кровообращения
. 3.
При исследованиях в отраженном свете для регистрации максимального сигнала фотоплетизмографический датчик следует устанавливать так, чтобы он не контактировал с исследуемой тканью, находился на расстоя-
нии 3-4 мм от нее; 4.
При изучении тканей в проходящем свете излучатель следует помещать на расстоянии 1-2 мм от ткани, а приемник лучистой энергии на нее; 5.
Кровь сильно поглащает световую энергию; 6.
Рассеивание световой энергии в основном определяется наличием в ней форменных элементов крови; 7.
Возрастание величины сигнала меняется при изменении расстояния меж-
ду тканью и датчиком; 73
8.
Изменение объема крови в тканях не вызывает значительного повышения величины электрического сигнала; 9.
С достаточной степенью уверенности можно сказать, что запись фотопле-
тизмограммы в проходящем свете несет информацию о непосредственном изменении интенсивности кровотока в тканях, а для отраженного света фотоплетизмографический датчик улавливает только изменение положе-
ния ближайшей к нему поверхности, пульсация которой связана с измене-
нием интенсивности кровотока в тканях. 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем В канале измерения кровотока в пищеводе для увелечения эффективно-
сти сбора информации необходимо между источником излучения и прием-
ником излучения поставить прямой круговой конус (в дальнейшем конус). Диаметр основания конуса будет равняться диаметру измерительного зонда. Необходимо определить оптимальный угол при вершине конуса. Расчет оптимального угла при вершине конуса. Исходные данные: а=2 мм; в=4 мм; с=3 мм; d=5 мм; где а расстояние от вершины конуса до приемной площадки фототран-
зистора, в диаметр зонда канала измерения кровотока в пищеводе, с расстояние от источника оптического излучения до конуса; d рассояние от источника излучения до стенки пищевода (рис. 1.14.). Вначале рассчитаем угол угол охвата облучаемой поверхности, ко-
гда вместо конуса стоит непрозрачная пластинка. Для простоты примем диа-
метр пластинки равный 0. Также сделаем допущение, что источник излуче-
ния точечный, см. рис.1.15. 74
a c
x
a- x
b
g
d
a
1
a
2
Q
a
2
a
2
a
1
a
1
O
C
D
P
A
M
B
N
Рис. 1.14. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится непрозрачная пластинка. Из треугольника АОС: ;
2
1
d
ca
tg
Тогда: 56,26
52
32
2
1
arctg
d
ca
arctg
; Из треугольника ОВN: tg=b/2/c; ;6,33
32
4
arctg
max
=90 33,6=56,4; т.е. угол принадлежит диапазону:
;4,56;0
Из треугольника PMD: ;
2
2
b
d
x
tg
(1.46) Также из треугольника АСО: ;
2
d
cxa
tg
(1.47) Приравняем правые части уравнений (1.46) и (1.47) и найдем значение х: ;
5
32
2
4
5
xx
;
5
5
3
xx
5x=15-3x; 8x=15; x=1,875. Подставим значение х в уравнение (1): 75
;625,0
3
875,1
2
4
5
875,1
2
tg
2
=32,005; =
2
-
1
=32,005 26,56 = 5,445. Таким образом, если отсутствует конус, то угол охвата облучаемой по-
верхности равен 5,445. Теперь расчитаем угол для случая показанного на рис. 1.15. а
х
с
у
в
d
a
2
a
1
Q
a
1
a
2
w
z
x- y
b
A
C
O
K
R
H
EE
E
DP
B
L
F
Рис. 1.15. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится конус. = 2
1
(1.48) Вначале проведем расчет 2
: Из треугольника PEM: 2
2
b
d
ya
tg
; (1.49) Из треугольника OMK: ;
2
d
cyx
tg
(1.50) Из треугольника АLB: ;
2
2
x
b
tg (1.51) Из уравнения (1.51): ;
2
2
tg
b
x
(1.52) Приравняем правые части равнений (1.49) и (1.50): 76
;
2
d
cyx
b
d
ya
Подставим численные значения: ;
5
3
2
4
5
2
yxy
933510
;
5
3
3
2
yxy
yxy
8y 3x = 1; ;
8
13
x
y
(1.53) Подставим (1.52) в (1.53): ;
8
1
2
4
3
8
1
2
6
8
1
2
2
43
tg
tgtg
y
(1.54) Подставим (1.54) в (1.49): ;
2
4
1
8
5
2
4
1
24
15
38
1
3
2
4
3
3
2
33
2
3
2
2
tg
tgtg
yy
tg
Отсюда: ;
2
4
1
8
5
2
tg
arctg
(1.55) Теперь проведем расчет 1
: Примем другие обозначения (рис. 1.16.) 77
а с
в
d
a
1
a
1
w
g
b
A
C
O
K
R
EE
DP
B
L
F
w
z
f
e
g
Е
a
1
y
Рис. 1.16. Графическое пояснение символов математического аппарата, когда между источником и приемником излучения находится конус (для рас-
чета угла 1
). Из треугольника АВС: 90 + 90 + 1 + /2 = 180; откуда: = 1 + /2. (1.56) Из треугольника ORK: ;
1
d
gc
tg
(1.57) ;
sin2sin
2
2cos
2
8
2
sin
2
16
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
2
1
tgtgtg
tgtg
tg
;
sin2sin
2
2cos
2
8
2
sin
2
16
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
2
1
tgtgtg
tgtg
arctg
(1.58) 78
;
sin2sin
2
2cos
2
8
2
sin
2
16
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
4
1
8
5
2
2
12
tgtgtg
tgtg
arctg
tg
arctg
(1.59) Для того, чтобы узнать как измениться угол охвата облучаемой поверх-
ности при удалении от нее, зададимся расстоянием d=10 мм, и проведем тот же расчет, не изменяя остальные исходные данные. Исходные данные: а=2 мм; в=4 мм; с=3 мм; d=10 мм; Вначале рассчитаем угол угол охвата облучаемой поверхности, ко-
гда вместо конуса стоит непрозрачная пластинка. Для простоты, как и в пре-
дыдущем случае, примем диаметр пластинки равный 0. Также сделаем до-
пущение, что источник излучения точечный. Из треугольника АОС: ;
2
1
d
ca
tg
Тогда: 03,14
102
32
2
1
arctg
d
ca
arctg
; Из треугольника ОВN: tg=b/2/c; ;6,33
32
4
arctg
max
=90 33,6=56,4; т.е. угол принадлежит диапазону:
;4,56;0
Из треугольника PMD: ;
2
2
b
d
x
tg
(1.60) Также из треугольника АСО: ;
2
d
cxa
tg
(1.61) Приравняем правые части уравнений (1.60) и (1.61) и найдем значение х: ;
10
32
2
4
10
xx
79
;
10
5
8
xx
10x=408x; 18x=40; x=2,23. Подставим значение х в уравнение (1.60): ;279,0
8
23,2
2
4
10
23,2
2
tg
2
=15,5; =
2
-
1
=15,5 14,03 = 1,47. Таким образом, если отсутствует конус, то угол охвата облучаемой по-
верхности равен 1,47. Теперь рассчитаем угол для случая показанного на рис. 1.15. = 2
1
(1.62) Вначале проведем расчет 2
: Из треугольника PEM: 2
2
b
d
ya
tg
; (1.63) Из треугольника OMK: ;
2
d
cyx
tg
(1.64) Из треугольника АLB: ;
2
2
x
b
tg (1.65) В итоге получается: ;
2
9
1
18
5
2
tg
arctg
(1.66) Теперь проведем расчет 1
: Примем другие обозначения (рис. 1.16.) Из треугольника АВС: 90 + 90 + 1 + /2 = 180; откуда: = 1 + /2. (1.67) Из треугольника ORK: ;
1
d
gc
tg
(1.68) Из треугольника CDR: 80
;
2
1
b
d
gg
tg
(1.69) ;
sin2sin
2
2cos
2
18
2
sin
2
36
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
2
1
tgtgtg
tgtg
tg
;
sin2sin
2
2cos
2
18
2
sin
2
36
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
2
1
tgtgtg
tgtg
arctg
(1.70) Подставляя в формулу (1.62) полученные значения получаем: ;
sin2sin
2
2cos
2
18
2
sin
2
36
cos2
2
cos5
2
sin
2
6
2
9
1
18
5
2
2
12
tgtgtg
tgtg
arctg
tg
arctg
(1.71) Построим график зависимости угла охвата облучаемой поверхности от угла при вершине конуса для d=5 мм и d=10 мм (рис. 1.17.), по формулам (1.59) и (1.71). Рис. 1.17. Зависимость угла охвата облучаемой поверхности от угла при вершине конуса. Зависимость угла охвата облучаемой поверхности от угла при вершине конуса
0
5
10
15
20
25
30
35
10 50 90 130 170
Beta
T
e
t
a
d=5 mm
d=10mm
81
Выводы: Из графика видно, что обе функции имеют максимум в одной области, следовательно, оптимальный угол не зависит от удаления зонда от исследуемой поверхности. Отсюда следует, что оптимальный угол при вер-
шине конуса = 133. Также из графика можно сделать вывод, что чем дальше зонд находится от облучаемой поверхности, тем
меньше угол охвата. Применение конуса для d=5 мм при угле при вершине конуса =133 дает увеличение угла охвата облучаемой поверхности в 5.5 раза, а для d=10мм при угле при вершине конуса =133 дает увеличение угла охвата облучае-
мой поверхности в 10 раз. Таким образом, в данном разделе были выбраны оптические датчики для обоих каналов и определены оптимальные геомет-
рические размеры конуса для канала измерение кровотока в пищеводе. 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода Рассмотрим систему, состоящую из ткани биологического объекта (БО) и фотоплетизмографического измерительного преобразователя (ФИП), рабо-
тающего в отраженном свете. В данном случае ФИП представляет собой рас-
положенные в одной плоскости излучатель и фотоприемник. По различным литературным источникам, рассматривающим оптиче-
ские характеристики тканей БО, известно, что коэффициенты отражения, по-
глощения, рассеивания, пропускания у различных тканей различны и вели-
чины их зависят как от свойств исследуемых тканей БО, так и от длины вол-
ны зондирующего излучения. Существует также ряд теоретических работ, рассматривающих распро-
странение излучения в тканях БО, в которых падающее на БО излучение де-
лится на несколько составляющих, каждая из которых характеризует величи
-
ну отраженного, поглощенного, рассеянного излучения и излучения, пропу-
щенного тканью исследуемого БО. В отраженный от поверхности БО поток может быть внесена часть потока излучения, которая переотразилась от внутренних слоев исследуемой ткани и вышла на исследуемую поверхность. Вносимая за счет переотражения разница в коэффициентах отражения от поверхности ткани и при полном отражении в вышеприведенной литера-
туре рассматривается при использовании коллимированного и высокомощ-
ного лазерного излучения для определенных тканей БО. В данном же случае ФИП использует излучение (неколлимированное мощностью до 5 мВт) лам-
почки. Также известно, что излучение низкой мощности проникает в БО на не-
большую глубину (например, мощностью 1,5 мВт, длина волны =0,89 мкм
, глубина проникновения в кожу 200 мкм). Следовательно, можно предположить, что для зондирующего излучения с такими характеристиками переотраженное излучение не будет вносить 82
ощутимый вклад в лучистый поток (ЛП), отраженный от поверхности иссле-
дования. Поэтому ограничимся в нашем случае рассмотрением ЛП, отраженного только от поверхности исследуемого БО. Предположим, что исследуемая ткань БО обладает диффузным отраже-
нием, и примем каждую элементарную площадку освещенной поверхности БО за точечный источник. Предположим также, что за время измерения от
-
раженного от исследуемой ткани ЛП ее коэффициент отражения остается по-
стоянным. Тогда полный отраженный ЛП Ф
0
определяется по формуле: 2
0
00
cossin2
d
(1.72) где I
0
сила ЛП; угол между нормалью к светящейся поверхности и направлением распространения ЛП. Поскольку реальный ФИП позволяет собрать только часть отраженного излучения, то эффективность сбора отраженного ЛП зависит от конструкции ФИП, следовательно, необходимо рассмотреть связь между оптическими и геометрическими факторами, влияющими на величину отраженного ЛП в виде: Ф
фп
=АФ
0 , (1.73) где А коэффициент эффективности сбора энергии ЛП, отраженного от ткани БО. Освещенность Е, создаваемая диффузно отражающей площадкой, опре-
деляется по формуле: I
S
dS
r
ii
2
21
coscos
(1.74) где i
1
, i
2
углы между направлением и нормалями к исследуемым тка-
ням БО и ФИП; В яркость источника излучения. Обозначим плоскость, в которой лежит поверхность исследуемой ткани БО S(x,у), а плоскость, в которой лежит фотоприемник и излучатель S (,), и предположим, что эти плоскости параллельны между собой. Из треуголь-
ника ААВ найдем расстояние между точкой БО и точкой В(,) в плоско-
сти ФИП: ,)()(
222
уxLr
(1.75) где L расстояние между плоскостью ФИП и плоскостью исследуемой ткани БО (рис. 1.18.). 83
Рис. 1.18. Графическое пояснение символов математического аппарата. Поскольку плоскости S и S параллельны, очевидно, что: .
)()(
coscos
222
21
уxL
L
r
L
ii
(1.76) Тогда подставляя (1.76) и (1.75) в (1.74), получим: i
S
yxL
dxdy
BL.
))()((
2222
2
(1.77) Для того, чтобы вычислить этот интеграл, перейдем к полярным коор-
динатам: sin
cos
hy
hx
sin
cos
(1.78) Тогда после соответствующих преобразований и использования таблич-
ного интеграла получим: .
2
1
21
0
2/3
2
222
222
R
hL
h
hdh
hL
(1.79) Дальнейшие преобразования дают подинтегральные выражения в виде: ,
)(44
4
0
2
3
22222
R
L
d
(1.80) 84
где =L
2
+h
2
+
2
, h текущая координата в плоскости S. Выполняя дальнейшее интегрирование, используя табличный интеграл, подставляя пределы интегрирования, окончательно получим: .
)()(2
1
2
2222224
222
2
RLRLhh
RhL
L
(1.81) Здесь R радиус светящейся площадки на фотоприемнике, определяе-
мый выражением: ,
2
LtgR (1.82) где текущая координата светящегося пятна на БО; плоский угол расширения ЛП, возрастающий с ростом L. Подставляя (1.81) в (1.77), получим значение освещенности в виде: .
)()(2
1
2
2222224
222
2
RLRLhh
RhL
L
B
(1.83) ЛП, падающий на фотоприемник, определяется выражением: Фп
R
Фп
dhh
0
,)(2
(1.84) где R
фп радиус фотоприемника. Подставляя в (1.84) выражение (1.83) и вычисляя интеграл, получим: .)(2)(
2
2222224222
2
фпфпфпфп
RRLRRLLRR (1.85) Полный ЛП с исследуемой поверхности (отражающей диффузно) можно записать следующим образом: .
22
0
R (1.86) Тогда, выражая из (1.73) A и подставляя выражения (1.85) и (1.86), по-
лучим: .)(2)(
2
1
/
2222224222
2
0
фпфпфпфп
RRLRRLLRR
R
A (1.87) 85
В данном случае расстояние между плоскостью ФИП и плоскостью ис-
следуемой ткани БО 3 мм, радиус светящейся площадки на фотоприемнике 1,8 мм, радиус фотоприемника 2 мм. Подставляя эти значения в выраже-
ние (1.87), получим: 25,05,1424,16
8
1
)8,12(32)28,1(338,12
22
1
2222224222
2
A
Вывод: коэффициент эффективности сбора полезного сигнала А=0,25. 86
II ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ 1. Реоэнцефалография 1.1. Теоретические основы реоэнцефалографии Развитию и техническому обоснованию реографии способствовали мно-
гочисленные работы, посвященные исследованию электропроводности, элек-
трического сопротивления различных органов и частей тела, а также влия-
нию на организм постоянного и переменного тока разной частоты. Развитие метода реографии неразрывно связано с установлением зави-
симости между работой сердца и колебаниями сопротивления и ёмкости в тканях. Изменения электрической ёмкости, обусловленные колебаниями объема сердца, были обнаружены в 1907г. Рядом ученых было установлено, что наблюдаемые изменения импедан-
са (электропроводности) являются результатом синхронных с пульсом коле-
баний объема исследуемых областей тела, отражающих артериовенозную разницу кровенаполнения. Наиболее тщательные и систематические исследования по теоретиче-
скому обоснованию и практическому применению регистрации колебаний
электрического сопротивления для объективной оценки состояния кровооб-
ращения в различных частях тела были проведены А. А. Кедровым (1948г), изучая влияние различных частот (1 – 300 кГц) переменного тока на электри-
ческое сопротивление тканей, автор установил, что наилучшие результаты (электроплетизмограммы, адекватно и полнее отражающие состояние гемо-
динамики) получаются при использовании переменного тока частотой около
100 кГц. 1.1.1. Особенности кровообращения в головном мозге Кровообращение головного мозга характеризуется специфическими особенностями, обусловленными его сложной структурной и функциональ-
ной организацией. Объем крови, протекающей через головной мозг человека, составляет, как правило, значительную часть (у взрослых примерно 15%) общего объема крови. Из общего количества кислорода, поступающего в организм с вды-
хаемым воздухом, головной мозг потребляет 20 – 25%. Кроме массы циркулирующей крови, очень важным фактором, опреде-
ляющим интенсивность кровоснабжения головного мозга, является скорость кровотока. Известно, что скорость артериального кровотока в мозгу значи-
тельно больше, чем в других органах. Такое интенсивное кровоснабжение обеспечивается большой и сложной сетью мозговых сосудов с разнообразной ангиоархитектоникой. Кровоснабжение мозга осуществляется двумя парами магистральных артерий – внутренними сонными и позвоночными, образующими
на основа-
87
нии мозга виллизиев круг. Виллизиев круг является мощным коллектором, обеспечивающим распределение крови в головном мозгу. Вследствие равен-
ства давления в правых и левых, а также в передних и задних половинах вил-
лизиева круга в определенных местах передней и задних соединительных ар-
терий образуются «мертвые пункты», в которых движения крови нет. Следо
-
вательно, кровь из разных сосудов в пределах виллизиева круга в физиологи-
ческих условиях на смешивается, а попадает в зону васкуляризации каждой отдельной артерии. Задняя мозговая циркуляция поддерживается кровотоком из позвоноч-
ных артерий, причем после их слияния в основную артерию кровь из правой позвоночной артерии течет строго по правой половине, а из левой позвоноч-
ной – по её левой половине. Возможно, равномерному распределению крови по гомолатеральным сторонам способствуют и сосудистые пучки, отходящие от дорсальных сторон позвоночных артерий у места их слияния. Однако даже при незначительном уменьшении давления в каком-нибудь из магистральных сосудов (прижатие артерий на шее при резких движениях головы или при
сдавлении шеи) сейчас же происходит переток крови в на-
правлении снизившегося давления. Из сказанного видно, что динамика кро-
воснабжения мозга даже в физиологических условиях зависит от состояния коллатерального кровообращения. Виллизиев круг является наиболее мощ-
ной и постоянно действующей системой анастомозов, обеспечивающей кол-
латеральное кровообращение в обоих полушариях. Кроме того, существуют еще две системы анастомотических связей, не функционирующие в нормаль-
ных условиях, но приобретающие важное значение в условиях сосудистой патологии. Это связи внутренней сонной и позвоночной артерий с наружной сонной артерией и анастомозы трех мозговых артерий между собой на по-
верхности мозга. Общая масса внутричерепного содержимого (мозговое вещество, арте-
риальная кровь, венозная
кровь и ликвор) относительно постоянна. Приток артериальной крови – важный фактор для поддержания внутричерепного давления. Изменение кровенаполнения мозга сказывается на давлении лик-
вора. Гемодинамика в головном мозгу поддерживается пульсовыми движе-
ниями крови. Ритмические колебания объема мозговых сосудов (пульсация мозга) связаны с активным сужением и расширением сосудов и перемещени-
ем ликвора, а также находится в зависимости от ряда влияний, в частности от сокращений сердца и дыхания (присасывающего действия грудной клетки, способствующего венозному оттоку от мозга). Отток крови из полости черепа осуществляется по развитой венозной системе (вены, синусы, венозные выпускники), открыто сообщающейся с внечерепными венами. Анатомическое и функциональное единство мозговых вен в внечерепными венами
и отсутствие в них клапанов обеспечивают воз-
можность кровотока в разных направлениях – в зависимости от местных ус-
ловий и потребностей тканей в притоке и оттоке крови. Используя эти осо-
бенности венозного кровообращения головы, А.А. Кедров и А.И. Науменко (1954г.) при изучении церебральной гемодинамики собак получили экспери-
88
ментальные данные, подтверждающие пульсовый характер движения крови в сосудах мозга в закрытом черепе. Постоянные пульсовые и дыхательные ко-
лебания внутричерепного давления в закрытом черепе согласно их данным возможны благодаря наличию своеобразных приспособительных механиз-
мов: с одной стороны, существованию пульсового венозного оттока из по-
лости черепа и, с другой, - благодаря перемещению ликвора
из полости чере-
па в спинномозговую полость в связи с разными фазами дыхания. Это позже подтвердилось в исследованиях Ю.Е. Москаленко и А.И. Науменко (1957г.). Они определили не только характер этих колебаний (пульсовых волн, дыха-
тельных и волн третьего порядка), но и их абсолютные величины. В замкну-
той полости черепа объем мозга колеблется незначительно благодаря тому, что он окружен со всех сторон несжимаемым ликвором и при пульсовых ко-
лебаниях давление крови встречает со всех сторон противодавление. Церебральная гемодинамика, таким образом, отличается от кровоснаб-
жения других органов не только большей интенсивностью и постоянством, но особенностями коллатерального кровообращения, а также тесной взаимо
-
связью с ликворообращением. Последняя проявляется в большой взаимоза-
висимости между венозным и ликворным давлением. При венозном застое мозга развивается ликворная гипертензия. Наряду с существованием взаимосвязи между циркуляцией крови и лик-
вора имеется тесная взаимозависимость между состоянием регионарного кровотока и функциональной активностью различных образований мозга. Усиление кровообращения в одних структурных образованиях мозга при их усиленной деятельности сопровождается уменьшением кровоснабжения дру-
гих, находящихся в это время в состоянии относительного покоя. Благодаря богатому интракраниальному коллатеральному кровотоку – как артериальному, так и венозному – в обоих полушариях нет области, ко-
торая обеспечивалась бы исключительно одной магистральной артерией или одной магистральной веной. Это, наряду с перераспределением крови в
моз-
гу в зависимости от функциональной активности различных его образований, предопределяет целесообразность изучения регионарной гемодинамики моз-
га одновременно в нескольких его областях. 1.2. Механизмы формирования реоэнцефалограммы Изменения импеданса между электродами, накладываемыми на кожные покровы головы, определяются сложным комплексом факторов, которые представлены на рис. 2.1. Ведущими факторами или возмущающими воздействиями являются ко-
лебания системного венозного и артериального давления, а остальные игра-
ют модулирующую роль. Последние следует разделить на три группы. Пер-
вая – это факторы внутричерепной гемодинамики определяющие информа-
тивность реоэнцефалограммы (РЭГ). Вторая группа – факторы не связанные 89
Рис. 2.1. Схема формирования РЭГ – волны. с внутричерепной гемодинамикой то есть факторы, являющиеся источником помех и снижающие информационную ценность РЭГ. Поэтому следует вы-
яснить условия, при которых влияние внутричерепных факторов будет наи-
более выражено, а влияние помехонесущих факторов – минимальным. Исходя из схемы на рис. 2.1. очевидно, что внутричерепные гемодина-
мические и ликвородинамические факторы могут иметь выраженное моду-
лирующее влияние на РЭГ. Действительно, пульсовые изменения пассивных электрических свойств внутричерепного содержимого определяются прирос-
том кровенаполнения полости черепа за счет пульсовых колебаний в артери-
альной и венозной системах головного мозга. В связи с особенностью биофи-
зической структуры системы внутричерепной гемодинамики способность со-
судов мозга вместить
дополнительный объем крови по сравнению с другими органами весьма ограничена. В механизмах компенсации систолического объема крови особое значение приобретают такие факторы, как колебания внутричерепного давления, ускорение тока крови, передача артериальной пульсаций на вены непосредственно через ликвор, перераспределение внут-
ричерепного объема между артериальной, венозной кровью и ликвором. Электропроводность ликвора отличается от электропроводности крови, а по-
следняя неодинакова в различных участках сосудистой системы мозга. Таким образом, пульсовая волна РЭГ представляет собой комплексный биофизиче-
ский сигнал сложной природы, основная информационная ценность которого заключается в возможности судить о пульсовых изменениях кровенаполне-
ния мозговой ткани, что в свою очередь зависит от растяжимости стенок це-
ребральных сосудов
. Следовательно, РЭГ может отражать как структурные изменения стенок мозговых сосудов, например, при атеросклерозе, так и ди-
намические изменения их тонуса в ответ на функциональные нагрузки. По-
90
следнее может представить интерес как неинвазивный методический подход для оценки адаптационных способностей сосудистой системы головного мозга при тех или иных внешних воздействиях на организм или патологиче-
ских состояниях. Влияние внечерепных гемодинамических факторов. Вопрос о соотно-
шении вне- и внутричерепных факторов является наиболее спорным в фи-
зиологическом и биофизическом обосновании метода РЭГ
. Как следует из рис. 1, внечерепные сосуды находятся под влиянием тех же гемодинамиче-
ских факторов, что и внутричерепные. При этом их реакции на такие воздей-
ствия как изменение парциального давления углекислого газа артериальной крови, колебания артериального давления, симпатическую стимуляцию и не-
которые другие воздействия, могут быть неодинаковыми и даже разнона-
правленными. Изучение относительной роли вне- и внутричерепных сосудов в генезе РЭГ проводятся путем биофизического анализа и путем эксперимен-
тального физиологического исследования. Биофизический анализ токораспределения по вне- и внутричерепным тканям при наложении электродов на кожные покровы головы показал, что полностью избежать шунтирования тока по экстракраниальным тканям не удается. Вследствие высокого сопротивления костей черепа
наилучшие ус-
ловия для прохождения тока в мозг создаются при наложении электродов вблизи больших естественных отверстий черепа (глазниц и затылочного от-
верстия). Точная величина экстракраниального компонента РЭГ сигнала в на-
стоящее время неизвестна, но все же значительна. Поэтому для РЭГ метода, как и для всех других методов исследования мозгового кровообращения, проблема уменьшения этого компонента остается весьма актуальной. Стан-
дартизация техники регистрации РЭГ позволит фиксировать рассматривае-
мые погрешности и сделать результаты исследований сопоставимыми. К специальным способам снижения влияния внечерепных факторов при реги-
страции РЭГ относится одновременное снятие РЭГ и реограммы мягких тка-
ней головы с последующим электронным сопоставлением их и получением результирующей
кривой, а также применение защитных кольцевых или эк-
ранирующих электродов. Таким образом, несмотря на существенное модулирующее влияние ко-
лебаний кровенаполнения внечерепных тканей, РЭГ может сохранить свою информационную ценность, если данный фактор будет должным образом учитываться. Влияние изменений электрических свойств тканей на показание РЭГ. Согласно рис. 1, пульсовые волны РЭГ, особенно их амплитуды должны за-
висеть от изменения соотношения между пассивными электрическими ха-
рактеристиками сред и тканей, заполняющих полость черепа. Известно, что электрическое сопротивление крови зависит от самых разных факторов. За-
полняющая полость черепа кровь, ликвор, межклеточная жидкость являются основными путями проведения электрического тока, поэтому как базовое со-
противление между электродами, так и
его относительные изменения будут в 91
первую очередь определяться соотношением жидкостной и клеточной фаз в исследуемой области об этом говорит значительное возрастание амплитуды пульсовых колебаний сопротивления между электродами. Определенное значение РЭГ имеет изменения электропроводности кро-
ви при ее движении. Биофизический анализ этого феномена в системе жест-
ких трубок показал, что изменение электропроводности крови определяется зарядом на поверхности
эритроцитов и степенью их агрегации. Поскольку величина изменения электропроводности крови при движении зависит от частоты измерительного тока, то диапазон частот, рекомендованный для ре-
гистрации РЭГ, выбран с учетом данного феномена и погрешность за счет скоростных изменений кровотока составляет не более 8-10%. Исследования показали, что объемный компонент реографического сигнала во много раз превосходит скоростной компонент. Поэтому можно сказать, что пульсовая волна РЭГ отражает объемные изменения кровенаполнения исследуемого участка мозга. Все вышеизложенное указывает на то, что динамика показателей РЭГ определяется не только процессами в системе внутричерепной гемоциркуля-
ции, но и изменениями электрических характеристик крови и ткани мозга, поэтому не следует использовать данный метод при
таких воздействиях на организм, которые оказывают существенное влияние на электрические ха-
рактеристики крови и ткани мозга. Учет изложенных выше фактов позволит повысить информационную ценность данной методики. 1.3. Аспекты применения реоэнцефалографии для оценки мозгового кровообращения Реография является неинвазивным методом исследования системного и регионарного кровообращения, который основан на регистрации изменений сопротивления (импеданса) биологического объекта при его сканировании переменным током высокой частоты. Термин реоэнцефалография (РЭГ), предложен Дженкнером в 1957 г. В последнее время наблюдается тенденция к вытеснению РЭГ ультразвуковой допплерографией (УЗДГ). Но игнориро-
вание реографического метода является преждевременным и необоснован-
ным. Прежде всего, учеными подвергается сомнению генез реографической кривой, получаемой при проведении РЭГ - исследования. В качестве доказа-
тельства несостоятельности реографического метода его противники тради-
ционно пытаются обосновать экстракраниальный генез РЭГ - кривой. По их мнению, изменения импеданса обусловлены влиянием внемозгового крово-
тока. Основной аргумент при этом сводится к большому сопротивлению
кос-
тей черепа, препятствующему прохождению зондирующего тока. А.А. Кед-
ров, обсуждая возможность применения импедансного метода в оценке моз-
гового кровообращения пишет: "… с наружно расположенных электродов внутричерепной кровоток не регистрируется, и реограммы отражают только кровообращение в околочерепных сосудах". Однако, еще в 1961 г. Кунерт пришел к выводу, что кость не является существенным препятствием для 92
прохождения зондирующего тока, поскольку обладает в основном емкост-
ным сопротивлением. Импеданс обескровленной и неживой кости достигает 4000 Ом∙см, но величина импеданса в живом черепе намного меньше - около 200 Ом∙см, так как сопротивление костей варьирует в зависимости от коли-
чества крови и форменных элементов. Следовательно, кости черепа не пре-
пятствуют прохождению
зондирующего тока в полость черепа и отражению на РЭГ колебаний интракраниального импеданса. Для проведения реографического исследования необходимо использо-
вать реограф - прибор, работающий по принципу генератора тока высокой частоты. Оптимальной частотой зондирующего тока при проведении РЭГ - исследования является 50-100 кГц - именно при таких значениях сводится к минимуму эффект поляризации, возникающий на границе электрод-ткань, что дает возможность просканировать биологический объект более глубинно. При проведении РЭГ-исследования производится сканирование двух основ-
ных бассейнов: внутренней сонной артерии (FM-отведение) и вертебро-
базиллярного бассейна (ОМ-отведение). Это основные отведения. Кроме ос-
новных существуют и дополнительные отведения, которые позволяют изби-
рательно судить о состоянии бассейнов передней мозговой артерии
(ПМА), средней мозговой артерии (СМА) и задней мозговой артерии (ЗМА), а также о состоянии экстракраниального кровотока в общей сонной артерии (ОСА) и позвоночных артериях (ПА). В чем заключается преимущество РЭГ перед активно развивающимся методом УЗДГ? При проведении УЗДГ не возникает никаких трудностей во время исследования экстракраниального кровотока. Ультразвук беспрепятст-
венно проникает через мягкие ткани, что дает возможность четкой визуали-
зации сосуда на протяжении. Особенно ценную информацию можно полу-
чить при исследовании комплекса интима-медиа, когда удается достаточно четко визуализировать атеросклеротические бляшки. При наличии соответ-
ствующей программы удается установить степень редукции просвета сосуда. Что же касается исследования внутричерепной гемодинамики, то тут возни
-
кает ряд методических проблем. Прежде всего, по своей физической природе ультразвук обладает способностью отражаться от поверхности с большой плотностью. Учитывая этот факт и анатомические особенности черепа, были выбраны так называемые "окна визуализации": височные (для изучения кро-
вотока в ПМА, СМА и ЗМА) и подзатылочная ямка (для исследования вер-
тебро-базиллярного бассейна). Кроме того, при проведении транскраниаль-
ной УЗДГ (ТКУЗДГ) может возникнуть еще одна методическая трудность, связанная с утолщением кости в области "окон визуализации", в результате чего возникают существенные трудности при оценке кровотока в исследуе-
мом сосуде. Таким образом, у импедансного и ультразвукового методов есть один общий барьер - кости черепа. Однако, что
касается РЭГ, то как уже было по-
казано, в живом организме кость не является значимым препятствием зонди-
рующему току. Немаловажен и тот факт, что РЭГ является абсолютно безо-
пасным для пациента, так как не возникает механического сотрясения на кле-
93
точном и субклеточном уровнях, что может наблюдаться при ТКУЗДГ. Су-
ществует еще один факт, выгодно отличающий РЭГ от ТКУЗДГ, который отмечает Л.Б. Иванов: "Допплерография характеризует кровоток на уровне конкретного участка магистрали исследуемой артерии и ему неведомо, что творится на уровне концевых разветвлений этого сосуда". РЭГ позволяет ис-
следовать весь бассейн
того или иного сосуда, включая магистральные арте-
рии и микроциркуляторное русло, а также косвенно судить о состоянии ве-
нозной гемодинамики. Следовательно, по данным реографического метода можно косвенно су-
дить и о состоянии венозного оттока из исследуемой области. Наиболе дос-
товерную и полную информацию о состоянии кровоснабжения мозга можно получить используя только расчетный метод обработки реограмм, например, отношение амплитуды РЭГ к общему сопротивлению под электродами этого отведения отражает объем пульсовой волны (показатель относительного объ-
емного пульса), отношение длительности восходящей части к длительности всей волны является показателем сосудистого тонуса. Вычисляются также и другие характеристики РЭГ, связанные с процессом кровообращения. При этом нивелируется субъективизм
, присущий визуальному анализу. 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии Пульсовые изменения импеданса между электродами, наложенными на кожные покровы головы человека, при соблюдении необходимых условий отражают с определенной погрешностью колебания кровенаполнения полос-
ти черепа, а их динамика в короткие промежутки времени – функциональные сдвиги в системе внутричерепной гемоциркуляции. Поэтому для выяснения информативной направленности реоэнцефалографии (РЭГ) следует рассмот-
реть взаимосвязь между пульсовыми измерениями кровенаполнения области черепа и другими показателями деятельности системы внутричерепной гемо-
динамики. Эта система обладает сложной биофизической структурой функцио-
нальные связи, с которой представлены на рис. 2.2. Как следует из этой схемы, кровенаполнение полости черепа является производной величиной, зависящей при стабильности показателей системной гемодинамики от тонуса артерий и вен головного мозга и
от состояния лик-
вородинамики. Рост или падение мозгового кровотока может в зависимости от вызы-
вающих их причин сопровождаться как однонаправленными, так и разнона-
правленными изменениями кровенаполнения полости черепа. Качественная направленность изменений данного показателя и мозгового не всегда совпа-
дает. Так изменения локального мозгового кровотока и импеданса ткани моз-
га при ряде тестов и поведенческих реакций могут быть разнонаправленны-
ми. Вместе с тем нельзя отрицать, что при определенных условиях исследо-
вания можно наблюдать положительную корреляцию между некоторыми по-
казателями РЭГ – волны и изменениями мозгового кровотока. Найдена хо-
94
рошая корреляция между установившимися значениями локального кровото-
ка и импеданса в этой же зоне мозга при внутричерепной артериальной ги-
пермии. Но такая корреляция может наблюдаться лишь при строго опреде-
ленных сочетаниях показателей, входящих в схему (рис. 2.2). Рис. 2.2. Схема функциональных взаимосвязей между элементами системы внутри-
черепной гемоликвородинамики (+) – положительная связь, (-) – отрицательная связь. Таким образом, информационная направленность РЭГ ограничивается в основном возможностью комплексного отражения особенностей растяжимо-
сти сосудов артериального и венозного отделов сосудистой системы голов-
ного мозга и состояния системы ликвородинамики. Имеются многочислен-
ные данные, показывающие четкую зависимость показателей РЭГ от возрас-
тных изменений свойств мозговых сосудов, степени их склерозирования, со-
стояния их тонуса при гипертонической болезни и т.п. В последнее время ус-
пешно развивается идея о двухкомпонентности генеза РЭГ – влиянии отно-
сительного кровенаполнения как церебральных артерий, так и вен, и на осно-
вании этого предлагается способ автоматической
обработки РЭГ. Однако до сих пор мало уделяется внимания роли третьего компонента – ликвородина-
мике, который согласно рис. 2.2 тесно связан с кровенаполнением полости черепа. Для уточнения информативной целенаправленности РЭГ следует найти пути для трех видов возможных влияний на показатели РЭГ, а именно изме-
нений тонуса церебральных сосудов, их кровенаполнения и изменений в сис-
теме ликвородинамики. 95
Один из возможных путей дифференцирования влияния каждого из упомянутых трех видов влияний на показатели РЭГ заключается в использо-
вании направленных функциональных нагрузок с тем, чтобы, сопоставляя ответы на них при разных состояниях организма, судить об изменении того или иного из интересующих показателей. Кроме функциональных нагрузок физической природы, информативным является использование фармаколо
-
гических препаратов. Особенно часто применяются нитроглицериновая про-
ба, а также проба с вдыханием СО
2 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы Пульсовые волны РЭГ представляют собой периодические, синхронные с пульсом колебания сложной формы, в которых заключена информация о системе внутричерепного кровообращения. По внешнему виду нормальная РЭГ - волна напоминает сфигмограмму и ей свойственно наличие некоторых характерных точек (рис. 2.3.): О – начало подъема; А – вершина волны; В – вторая (диастолическая) вершина; С – инцизура. На базовой линии им соот-
ветствуют временные точки. Исходя из этих характерных точек, в РЭГ – вол-
не выделяют следующие показатели. Рис. 2.3. Характерные точки РЭГ-волны и связанные с ними амплитуд-
ные, временные и планиметрические показатели. Амплитудные показатели. К ним относятся величины амплитуд реовол-
ны в характерных точках, выраженные в омах или в относительных едини-
цах. Все амплитудные показатели принято относить к максимальной ампли-
туде в точке А в процентах. Целесообразно определить амплитуду реоволны ещё в точке А
1
– на середине дикротической части волны, между точкой А и концом волны. Временные показатели РЭГ. Они представляют собой промежутки вре-
мени между зубцом R на ЭКГ, а также между началом РЭГ – волны и други-
ми характерными точками на РЭГ – волне. Существует мнение, что времен-
ные показатели РЭГ менее подвержены влиянию помех по
сравнению с ам-
плитудными показателями и более приемлемы для автоматического анализа 96
РЭГ. Для более точного определения характерных точек на пульсовой РЭГ - волне используется способ её электрического дифференцирования – регист-
рации первой производной, что позволяет выявить и относительные измене-
ния скоростей нарастания и спадов РЭГ – волны. Принципиально новой ин-
формации первая производная РЭГ по сравнению с самой волной РЭГ не со-
держит, но позволяет
сделать более наглядными отдельные характерные элементы РЭГ – волны. Следует стандартизировать постоянную времени дифференцирования, от которой зависят показатели первой производной кривой РЭГ. Приборы с постоянной времени дифференцирования менее 0,001 дают минимальную погрешность. Планиметрические показатели: площадь всей реоволны и отдельных ее участков, отнесенных ко всей площади, в процентах. Они определяются как участки, ограниченные
базисной линией и амплитудными отрезками в харак-
терных точках на кривой реоволны. Спектральные показатели. Вышеуказанные амплитудные, временные и планиметрические показатели за частую не могут объективно и полно опи-
сать характерные изменения формы волны РЭГ, наблюдающиеся в различ-
ных в различных экспериментальных ситуациях. В связи с этим в литературе бытуют описательные
характеристики РЭГ – волны типа «добавочные вол-
ны», «куполообразная форма» и т.п. С помощью Фурье – анализа можно полно, объективно и единообразно описать волну любой формы. Комбинированные показатели. К ним относятся различные сочетания амплитудных и временных показателей, угловые показатели. Например, угол восхождения анакроты (угол α) может быть выражен через тангенс этого
уг-
ла А/а (рис. 3). К этой группе показателей можно отнести различные слож-
ные формулы для расчета объемного мозгового кровотока, суммарного це-
реброваскулярного сопротивления, тонуса сосудов и т. д., в которые помимо амплитудных и временных показателей входят такие показатели, как частота пульса, среднее артериальное давление, параметры первой производной и т.
п. Наиболее распространенные показатели РЭГ и приписываемое им ин-
формационное значение представлены в таблице 2.1. Показатели реоэнцефалограммы Таблица 2.1. Показатель Информативность 1 2 А, А/Е Амплитуда реоволны, реографический индекс Е - калибро-
вочный сигнал. Показатель максимального пульсового коле-
бания кровенаполнения и степени раскрытия сосудистого русла В, В/А Амплитуда диастолической волны, диастолический индекс. Показатель периферического сопротивления оттоку из арте-
рий в область мелких вен. Увеличение показателя говорит о росте этого сопротивления 97
С, С/А Дикротическая волна, дикротический индекс. Показатель пе-
риферического сопротивления в области мелких артерий. Увеличение показателя говорит о росте этого сопротивления А
1
, А
1
/А Поздняя диастолическая волна на середине расстояния меж-
ду вершиной А и концом реоволны и её отношение к ампли-
туде реоволны. Показатель периферического сопротивления оттоку из мелких вен в средние. Увеличение показателя го-
ворит о росте этого сопротивления А, а/Т Длительность восходящей части кривой – анакрота. Отража-
ет способность крупных артерий мозга к растяжению во вре-
мя систолического притока крови. Показатель увеличивается при увеличении эластичности (снижения тонуса) сосудов Аb, аb/Т Расположение диастолической волны по отношению к ос-
новной волне. Отражает тонус мелких сосудов изучаемой об-
ласти. Увеличение показателя говорит о повышении упруго-
сти (снижении тонуса) мелких артерий и вен При оценке РЭГ учитывают форму и время распространения волны ка-
ждого отведения, межполушарную асимметрию, а также изменения РЭГ при функциональных пробах. Интерпретация выделенных характеристик реоэн-
цефалографической волны сводится к следующему: сглаженность формы оценивается как уменьшение эластичности стенок сосудов, укорочение вре-
мени распространения волны говорит о повышении тонуса, амплитуда волны отражает интенсивность пульсовых колебаний. У здоровых людей моложе 30 лет волна РЭГ напоминает треугольник. Восходящая часть крутая и почти не меняет наклона до самой вершины. В первой половине нисходящей части имеется от 1 до 3 дополнительных коле-
баний. Продолжительность восходящей части составляет 0,1 с ±10%. В воз-
расте 30 — 40 лет продолжительность восходя щей части до 0,15 с ±10%. Иногда бывает
горбовидная форма волны, абсолютной вершиной которой является поздняя систолическая волна. Количество дополнительных колеба-
ний уменьшено до 1. В 40 — 50 лет продолжительность восходящей части до 1,7 с ±10%. Горбовидная форма волны преобладает. В 50 — 60 лет восходя-
щая фаза достигает 0,19 с ±10%, вершина становится более закругленной, но инцизура на нисходящей части еще заметна. У лиц старше 60 лет продолжи
-
тельность восходящей части больше 0,21 с. Форма волны аркообразная, до-
полнительные волны могут отсутствовать. Межполушарная асимметрия ам-
плитуды до 10% считается нормальной во всех возрастных группах. РЭГ считается патологической тогда, когда регистрируется форма вол-
ны, характерная для человека более старшего возраста, чем пациент; отмеча-
ется существенная межполушарная асимметрия по форме волны; межполу-
шарная асимметрия амплитуды больше 10%; элементы восходящей части одного полушария запаздывают больше, чем на 0,015 с по сравнению с за-
паздыванием в другом полушарии; отмечается углубление инцизуры со сдви-
98
гом ее вниз по нисходящей части кривой; выявляется значительное снижение или повышение волн; уменьшается время распространения реографической волны. Частная семиотика РЭГ. Церебральный атеросклероз. В начальных стадиях появляется некоторая сглаженность кривой и плато на вершине вол-
ны. При значительной выраженности этих изменений форма волны становит-
ся куполообразной или аркообразной, уменьшаются время распространения и амплитуда волны. Все это указывает на потерю эластичности и уменьше-
ние кровенаполнения сосудов. Гипертоническая болезнь. В транзиторной стадии отмечается смещение дикротического зубца ближе к вершине с тенденцией к образованию плато. Дальнейшее развитие процесса приводит к уменьшению амплитуды волны и закруглению вершины; часто абсолютной вершиной является поздняя систо-
лическая
волна, а дикротический зубец располагается выше изгиба. В скле-
ротической фазе волна принимает аркообразную форму. Головная боль сосудистого генеза. При мигренозных болях, локализо-
ванных преимущественно в одном полушарии, на РЭГ отмечается межполу-
шарная ассиметрия с повышением амплитуды на пораженной стороне. При вегетососудистой дистонии в зависимости от патогенетического механизма регистрируются: а) плато на вершине волны, хорошо выраженные дополни-
тельные колебания, повышенная амплитуда, что свидетельствует о пониже-
нии сосудистого тонуса с увеличением кровенаполнения и растяжением сте-
нок сосудов; б) закругленная вершина, плохо выраженные дополнительные колебания, уменьшенная амплитуда, что свидетельствует о повышении тону-
са сосудов. Закрытая черепно-мозговая травма. Гематома на стороне пораже-
ния
приводит к уменьшению амплитуды и сглаженности дополнительных колебаний, что указывает на затруднение кровотока в связи со сдавлением мозга. При ушибе на стороне контузии регистрируются увеличение амплиту-
ды и угла наклона восходящей фазы волны, углубление инцизуры. Сотрясе-
ние мозга не вызывает асимметрии. В зависимости от тяжести травмы отме-
чаются изменения, характерные для повышенного или пониженного тонуса сосудов. Геморрагический инсульт. Изменения РЭГ более выражены, чем при ишемическом инсульте, распространяются на оба полушария с некоторым акцентом на пораженном полушарии. Амплитуда РЭГ уменьшена и волна уплощена. Нередко наблюдаются явления атонии с резким укорочением нис-
ходящей части кривой и перемещением инцизуры вниз к основанию волны. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений В реографии для регистрации пульсовых изменений пассивных электри-
ческих характеристик тканей и органов человека используются две схемы исследования: двухэлектродная (биполярная) и четырехэлектродная (тетра-
полярная). При биполярном способе на исследуемый участок накладывается 99
два электрода, каждый из которых является и зондирующим и измеритель-
ным, т.е. как двухполюсник подключаются в одно из плеч измерительной мостовой схемы. Напротив, в тетраполярной схеме предусмотрено наложе-
ние на кожные покровы двух или более электродов, и таким образом, разде-
ление подачи зондирующего тока и измерения сопротивления исследуемой области. В
данной работе для исследования сосудистой системы головного мозга будет использоваться тетраполярный способ регистрации реоэнцефа-
лограммы. Основным преимуществом тетраполярного режима исследования явля-
ется почти полное исключение влияния сопротивления поверхностных тка-
ней под воспринимаемым электродом на точность измерения, что дает воз-
можность регистрировать РЭГ даже при физической нагрузке. При регистрации реоэнцефалограммы на кожные покровы головы на-
кладываются металлические электроды, площадь которых варьирует от 2 до 10 см
2
. Поскольку при накожном расположении электродов основное сопро-
тивление падает на верхний роговой слой кожи, контактирующий с электро-
дом, то кожа обезжиривается, между электродом и кожей прокладывается слой марли, смоченной физиологическим раствором. Иногда применяются электродные пасты, используемые при регистрации электроэнцефалограммы. Установлено, что для живых тканей характерны поляризационные явле-
ния при прохождении через них постоянного электрического тока. При пе-
ременном токе электрическая проводимость живых тканей зависит от часто-
ты. Строгий количественный анализ этого явления позволил определить оп-
тимальные частотные диапазоны для регистрации реограммы: 50 - 100 кГц. Сила измерительного тока определяется двумя соображениями. С точки зре-
ния точности измерений она должна быть достаточно высокой, но при
этом в несколько раз меньше порогового раздражающего значения. Наилучшим об-
разом этим условиям соответствует величина 1,5 - 3 мА. В настоящее время используются несколько вариантов наложения элек-
тродов на кожные покровы головы человека. В последние годы наряду с обычным глобальным фронто–мастоидальным (F – M) отведением, приме-
няют бифронтальное (F
2
– F
3
), битемпоральное (T – T
1
), бимастоидальное (M – M
1
) и биокципитальное (O - O) расположения электродов (рис. 2.4, а) с це-
лью выявления зависимости суммарного кровенаполнения исследуемых об-
ластей от состояния внутренней сонной и позвоночной артерий. Однако при такой поперечной реоэнцефалографии дефицит кровенаполнения на одной стороне может маскироваться, сглаживаться хорошим кровоснабжением на противоположной стороне. В этом отношении более перспективна и ценна продольная реоэнцефа-
лография с симметричных участков различных областей головы, так как она дает и представление о гемодинамике в симметричных областях мозга. Ряд ученых применяли фронтальное, роландо-темпоральное и окципито-
париетальное отведения для оценки кровенаполнения в бассейнах передней, средней и задней мозговых артерий. При использовании переменного тока высокой частоты (100 кГц) кожа и 100
кость не являются препятствием для прохождения тока; поэтому можно за-
писать РЭГ практически с любой области конвекситальных отделов больших полушарий головного мозга. Для исследования суммарного кровенаполнения больших полушарий применялось фронто–мастоидальное (F – M) расположение электродов. Для оценки состояния кровоснабжения преимущественно в бассейне передней мозговой артерии – лобное (F – F
1
), лобно-центральное (F – С) и лобно-
височное (F – Т) отведения, для оценки состояния гемодинамики в бассейне средней мозговой артерии – теменно-височное (Р – Т), роландо-височное (Р – Т), теменно-центральное (Р – С) и височно-височные (T
1
– T
2
). Кроме того, применялись окципито-мастоидальное (О – М) и окципито-париетальное (О - Р) отведения, отражающие состояние гемодинамики преимущественно в сис-
теме позвоночной артерии (рис. 2.4, б, в). Приблизительная схема распределения высокочастотного тока между глобальными (F – M), а также регионарными (F
1
– F
2
, C – F
2
, R – T, P – C, O – M, O - P) электродами представлена на рис. 2.4, г. Рис. 2.4. Схема расположения электродов. а – при поперечной реоэнцефалографии;б, в – при продольной реоэн-
цефалографии симметричных участков головного мозга; г – схема распределения высокочастотного тока между глобальными и регионарными элекродами.ример экрана монитора с графиками рео-
энцефалографии программно-технического комплекса SFERA V 4.7. 101
Рис. 2.5. Экран монитора с графиками реоэнефалограммы. Пример заключения по интегральной реографии Реографическое исследование Пациент: Иванов Ю.И. М 29 Обследование 28.10.93 11.00 Рост(см): 177 Вес тела(кг): 71 Артериальное давление: 120/80 Определение центр. гемодинамики методом интегральной реографии Тищенко - Базисное сопротивление - Амплитуда систолической волны - Продолжительность сердечного цикла - Продолжительность катакроты - Площадь тела - Ударный объем кровообращения - Ударный индекс - Сердечный индекс - Индекс минутной работы сердца - Индекс ударной работы сердца - Удельное периферическое сопротивление - Объемная скорость изгнания - Мощность левого желудочка Тип циркуляции Ударный индекс Уд. периферич. сопротивление Среднее артериальное давление Минутная работа сердца Ударная работа сердца (Ом) 153 (мОм) 127 (сек) 0.935 (сек) 0.795 (м2) 1.875 (мл) 84.0 (мл/м2) 44.79 (33.6-55.8) (л/мин/м2) 2.88 (2.48-3.12) (кг*м/мин/м2) 3.86 (3.36-5.22) (кг*м/м2) 59.98 (47.8-75.2) 2592 (2000-3200) (мл/с) 357.3 ( 220-400 ) (Вт) 4.44 ( 3.0-4.5 ) / Эукинетический / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы / В пределах нормы Врач функциональной диагностики : ______________________Пилюгин А.И. 102
Рис. 2.6. Пример распечатки на принтере интегральной реографии. Рис. 2.7. Пример распечатки на принтере реоэнцефалографии. 103
2. Векторкардиография 2.1. Теоретические основы электро- и векторкардиографии Особенностью современных систем мониторинга является применение технических средств, позволяющих получать результаты измерений физио-
логических показателей в готовом для диагностики состояния пациента виде. Создание таких средств требует от разработчика аппаратуры глубокого по-
нимания медицинских проблем клинического мониторинга, позволяющего получить требуемую диагностическую информацию и представить ее на языке медицины. 2.1.1. Биоэлектрические явления в сердечной мышце Возникновение электрических потенциалов в сердечной мышце связано с движением ионов через клеточную мембрану. Основную роль при этом иг-
рают катионы натрия и калия. В покое наружная поверхность клетки миокарда заряжена положительно вследствие преобладания там катионов натрия, внутренняя поверхность кле-
точной мембраны имеет отрицательный заряд вследствие преобладания внутри клетки анионов (Cl -, HCO
3
- и др.). Такое состояние мембраны не-
возбужденной клетки называется ее статической поляризацией. В этих усло-
виях клетка поляризована, при регистрации электрических процессов с по-
мощью наружных электродов разности потенциалов не будет. Однако если в этот период ввести микроэлектрод внутрь клетки, то зарегистрируется так называемый потенциал покоя, достигающий 90 мВ. Под воздействием внешнего электрического импульса клеточная мем-
брана становится проницаемой для катионов натрия, которые устремляются внутрь клетки (вследствие разности внутри- и внеклеточной концентрации) и переносят туда свой положительный заряд. Наружная поверхность данного участка приобретает отрицательный заряд вследствие преобладания там анионов. При этом появляется разность потенциалов между положительным и отрицательным участками поверхности клетки, и
регистрирующий прибор зафиксирует отклонение от изоэлектрической линии. Этот процесс носит на-
звание деполяризации и связан с потенциалом действия. Вскоре вся наружная поверхность клетки приобретает отрицательный заряд, а внутренняя — положительный, т. е. произойдет обратная поляриза-
ция. Регистрируемая кривая при этом вернется к изоэлектрической линии. В конце периода возбуждения клеточная мембрана становится менее прони-
цаемой для катионов натрия, но более проницаемой для катионов калия; по-
следние устремляются из клетки (вследствие разности вне- и внутриклеточ-
ной концентрации). Выход калия из клетки преобладает над поступлением натрия в клетку, поэтому наружная поверхность мембраны снова постепенно приобретает положительный заряд, а внутренняя — отрицательный. Этот процесс носит название реполяризации
. Регистрирующий прибор вновь за-
104
фиксирует отклонение кривой, но в другую сторону (так как положительный и отрицательный полюсы клетки поменялись местами) и меньшей амплиту-
ды (так как поток ионов калия движется медленнее). Описанные процессы происходят во время систолы. Когда вся наружная поверхность вновь приоб-
ретает положительный заряд, а внутренняя — отрицательный, снова будет зафиксирована изоэлектрическая линия, что
соответствует диастоле. Во вре-
мя диастолы происходит медленное обратное движение ионов калия и на-
трия, которое мало влияет на заряд клетки, поскольку ионы натрия выходят из клетки, а ионы калия входят в нее одновременно и эти процессы уравно-
вешивают друг друга. Описанные процессы относятся к возбуждению еди-
ничного волокна миокарда. Возникающий при деполяризации импульс вы-
зывает возбуждение соседних участков миокарда, оно постепенно охватыва-
ет весь миокард, развиваясь по типу цепной реакции. 2.1.2. Дипольная концепция электрической активности сердца Генез нормальной ЭКГ, происхождение и характер ее патологических изменений наиболее наглядно объясняет векторная теория сердечного дипо-
ля. Электрические явления, связанные с деятельностью всего сердца, приня-
то рассматривать на примере отдельного мышечного волокна (рис. 2.8). Рис. 2.8. Направление вектора сердечного диполя при деполяризации (а) и реполяризации (б) одиночного мышечного волокна Это допустимо, поскольку электрические процессы, происходящие в миокардиальной клетке и в сердце в целом имеют общие закономерности. В состоянии покоя наружная поверхность клеточной мембраны мышечного во-
локна заряжена положительно (+). При возбуждении наружная поверхность деполяризованного участка изменяет заряд на отрицательный (-). Реполяри-
зация мышечной клетки сопровождается восстановлением (+) зарядов на ее 105
поверхности. Процесс распространения по мышечному волокну волны деполяриза-
ции, как и волны реполяризации, схематически можно представить в виде перемещения двойного слоя зарядов, расположенных на границе возбужден-
ных, заряженных (-) и невозбужденных, заряженных (+) участков волокна. Эти заряды равны по абсолютной величине, противоположны по знаку и на-
ходятся на бесконечно малом расстоянии друг от
друга. Такая система, со-
стоящая из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов, называется диполем. Положительный полюс диполя всегда обращен в сторо-
ну невозбужденного, а отрицательный полюс - в сторону возбужденного уча-
стка мышечного волокна. Диполь может послужить моделью электрической активности отдельного мышечного волокна, которое обозначают как элемен-
тарный диполь. Элементарный диполь характеризуется разностью потенциалов и явля-
ется источником элементарной электродвижущей силы (ЭДС). ЭДС как век-
торную величину характеризуют абсолютное значение и направление. В электрокардиографии принята положительная полярность вектора, т.е. на-
правление от (-) к (+). На поверхности невозбужденного мышечного волокна разность потенциалов отсутствует - регистрирующий прибор фиксирует изо-
линию. При появлении
возбуждения на границе возбужденных и невозбуж-
денных участков появляется диполь, который вместе с волной возбуждения перемещается по мышечному волокну. Между возбужденными и оставши-
мися на данный момент в состоянии покоя участками поверхности миокар-
диального волокна возникает разность потенциалов. Если электрод, соединенный с положительным полюсом регистрирую-
щего прибора (активный), обращен к (+) полюсу диполя, т.е. вектор ЭДС на-
правлен к этому электроду, то регистрируется отклонение кривой вверх или положительный зубец. В случае, когда активный электрод обращен к отрица-
тельному заряду диполя, т.е. вектор ЭДС направлен от этого электрода, воз-
никает отклонение кривой вниз или отрицательный зубец. В каждый момент сердечного цикла
в состоянии возбуждения оказыва-
ется множество мышечных волокон, которые представляют собой элемен-
тарные диполи. При одновременном существовании нескольких диполей их ЭДС взаимодействует по закону сложения векторов, образуя суммарную ЭДС. Таким образом, при определенных допущениях сердце можно рассмат-
ривать как один точечный источник тока - суммарный единый сердечный диполь, продуцирующий суммарную ЭДС. Следовательно основные законо-
мерности формирования электрограммы, присущие одиночному мышечному волокну, остаются справедливыми и для и для формирования ЭКГ сердца как единого сердечного диполя. При строго последовательном распространении возбуждения по мио-
карду, когда на разных этапах этого процесса вовлеченными в состояние воз-
буждения оказываются различные, но определенные по локализации участки сердца и
разные по величине мышечные массы, суммарная ЭДС последова-
тельно и закономерно изменяется по величине и направлению. Каждому от-
106
дельному моменту сердечного цикла соответствует своя суммарная момент-
ная ЭДС. 2.1.3. Проводящая система сердца Основную массу сердца составляет миокард. Его образуют отдельные мышечные волокна, соединённые последовательно с помощью вставочных дисков - нексусов, обладающих незначительным электрическим сопротивле-
нием, и тем самым обеспечивающие функциональное единство миокарда. Кроме сократительных волокон в миокарде имеется особая система мышеч-
ных единиц, способных к генерации спонтанной ритмической активности, распространению возбуждения по всем мышечным слоям и координации по-
следовательности сокращения камер сердца. Эти специализированные мы-
шечные волокна образуют проводящую систему сердца. Проводящая система сердца включает в себя: 1.
Синоатриальный (синусно-предсердный, синусовый, Ашоффа-
Товара) узел – центр автоматизма (пейсмекер) первого порядка, расположен-
ный в месте впадения полых вен в правое предсердие. Он генерирует 60 – 80 импульсов в минуту; 2.
Межузловые проводящие тракты Брахмана, Векенбаха и Тореля; 3.
Атриовентрикулярный (предсердно-желудочковый) узел, распо-
ложенный справа от межпредсердной перегородки рядом с устьем коронар-
ного синуса (вдаваясь в перегородку между предсердиями и желудочками), и атриовентрикулярное соединение (место перехода АВ узла в пучок Гиса). Они являются пейсмекерами второго порядка и генерируют 40 - 50 импуль-
сов в минуту; 4.
Пучок Гиса, берущий начало от АВ узла и образующий две нож-
ки, и волокна Пуркинье – пейсмекеры третьего порядка. Они вырабатывают около 20 импульсов в минуту. Сокращение сердечной мышцы называется систолой, а её расслабление – диастолой. Систола и диастола четко согласованы во времени и вместе они составляют сердечный цикл, общая продолжительность которого составляет 0,6 – 0,8 с. Сердечный цикл имеет три фазы: систола предсердий, систола желудочков и диастола. Началом каждого цикла считается систола предсердий, длящаяся 0,1 с. При этом волна возбуждения, генерируемая синоатриальным узлом, распро-
страняется по сократительному миокарду предсердий (сначала правого, за-
тем обоих и на заключительном этапе - левого), по межпредсердному пучку Бахмана и межузловым специализированным трактам (Бахмана, Венкебаха, Тореля) к атриовентрикулярному узлу. Основное направление движения волны деполяризации предсердий (суммарного вектора) - вниз и влево. Ско-
рость распространения возбуждения составляет 1 м/с. Далее поток возбужде-
ния достигает атриовентрикулярного (АВ) узла. Возбуждение через него мо-
жет проходить только в одном направлении, ретроградное проведение им-
107
пульса невозможно. Так достигается направленность движения процесса воз-
буждения, и как следствие, координированность работы желудочков и пред-
сердий. При прохождении через АВ узел импульсы задерживаются на 0,02 – 0,04 с, скорость распространения возбуждения при этом составляет не более 2-5 см/с. Функциональное значение этого явления состоит в том, что за время задержки успевает завершиться
систола предсердий и их волокна будут на-
ходиться в фазе рефрактерности. По окончании систолы предсердий начинается систола желудочков, длительность которой 0,3 с. Волна возбуждения пройдя АВ-узел быстро рас-
пространяется по внутрижелудочковой проводящей системе. Она состоит из пучка Гиса (предсердно-желудочкового пучка), ножек (ветвей) пучка Гиса и волокон Пуркинье. Пучок Гиса делится на правую и левую ножки. Левая ножка вблизи от основного ствола пучка Гиса разделяется на два разветвле-
ния: передне-верхнее и задне-нижнее. В ряде случаев имеется третья, сре-
динная ветвь. Конечные разветвления внутрижелудочковой проводящей сис-
темы представлены волокнами Пуркинье. Они располагаются преимущест-
венно субэндокардиально и непосредственно связаны с сократительным
миокардом. Скорость распространения возбуждения по пучку Гиса составля-
ет 1 м/с, по его ветвям – 2-3 м/с, а по волокнам Пуркинье – до 3-4 м/с. Боль-
шая скорость способствует почти одновременному охвату желудочков вол-
ной возбуждения. Возбуждение идет от эндокарда к эпикарду. Суммарный вектор деполяризации правого желудочка направлен вправо и вперед. После вступления в процесс возбуждения левого желудочка суммарный вектор сердца начинает отклоняться вниз и влево, а затем по мере охвата все боль-
шей массы миокарда левого желудочка он отклоняется все больше влево. После систолы желудочков миокард желудочков начинает расслаблять-
ся и наступает диастола (реполяризация) всего сердца, которая продолжается до следующей систолы предсердий
. Суммарный вектор реполяризации имеет то же направление, что и вектор деполяризации желудочков. Из вышесказанного следует, что в процессе сердечного цикла суммар-
ный вектор, постоянно изменяясь по величине и ориентации, большую часть времени направляет сверху и справа вниз и влево. Проводящая система сердца обладает функциями автоматизма, возбу-
димости, и проводимости. 1. Автоматизм
– способность сердца вырабатывать электрические им-
пульсы, вызывающие возбуждение. В норме наибольшим автоматизмом об-
ладает синусовый узел. 2. Проводимость – способность проводить импульсы от места их воз-
никновения до миокарда. В норме импульсы проводятся от синусового узла к мышце предсердий и желудочков. 3. Возбудимость – способность сердца возбуждаться под влиянием им-
пульсов. Функцией возбудимости обладают клетки проводящей системы и сократительного миокарда. Важными электрофизиологическими процессами являются рефрактер-
ность и аберрантность. 108
Рефрактерность – это невозможность клеток миокарда снова активизи-
роваться при возникновении дополнительного импульса. Различают абсо-
лютную и относительную рефрактерность. Во время относительного рефрак-
терного периода сердце сохраняет способность к возбуждению, если сила по-
ступающего импульса сильнее, чем обычно. Абсолютный рефрактерный пе-
риод соответствует комплексу QRS и сегменту RS-T, относительный – зубцу Т. Во время диастолы
рефрактерность отсутствует. Аберрантность – это патологическое проведение импульса по предсер-
диям и желудочкам. Аберрантное проведение возникает в тех случаях, когда импульс, чаще поступающий в желудочки, застает проводящую систему в состоянии рефрактерности. Таким образом, электрокардиография позволяет изучать функции авто-
матизма, возбудимости, проводимости, рефрактерности и аберрантности. О сократительной функции по электрокардиограмме можно получить лишь косвенное представление. 2.1.4. Понятие об электрической оси сердца Сердце имеет так называемую электрическую ось, представляющую со-
бой направление распространения процесса деполяризации в сердце. Элек-
трическая ось сердца определяется состоянием пучка Гиса и мышцы желу-
дочка и до некоторой степени анатомической позицией сердца. Последнее особенно важно для определения электрической оси здорового сердца. Электрическая ось в норме направлена от основания к верхушке почти параллельно анатомической оси сердца. Ее направление зависит в основном от следующих факторов: положения сердца в грудной клетке, соотношения массы миокарда желудочков, нарушения проведения импульса к желудочкам и очаговых поражений миокарда. В настоящее время большинство авторов выделяет пять вариантов положения электрической оси сердца, определяе-
мых во фронтальной плоскости: нормальное
, вертикальное, отклонение вправо, горизонтальное и отклонение влево. Все эти варианты могут быть выражены количественно в градусах угла α (рис. 2.9). При нормальном положении электрической оси сердца угол α находится в пределах от +30
о
до +70
о
. При вертикальном положении электрической оси, обусловленном небольшим поворотом его вправо, угол α находится в преде-
лах от +70
о
до +90
о
. Более значительный поворот электрической оси вправо с углом α от +90
о
до +180
о
называется отклонением оси сердца вправо. Значи-
тельное отклонение оси сердца вправо, обычно встречается при патологии. Оно может наблюдаться при вертикальном положении сердца, блокаде пра-
вой ножки пучка Гиса, гипертрофии правого желудочка, инфаркте передней стенки, декстрокардии, смещении вниз диафрагмы (при эмфиземе легких, инспирации). 109
Рис. 2.9. Варианты положения электрической оси сердца, выраженные в градусах угла α При горизонтальном положении электрической оси сердца угол α ко-
леблется в пределах от +30
о до 0
о
. Отклонением электрической оси влево считается такое ее положение, когда угол α становится отрицательным (когда средний вектор находится между 0
о
и –90
о
). Заметное отклонение оси влево обычно встречается при патологии. Оно может быть результатом горизон-
тального положения сердца, блокады левой ножки пучка Гиса, синдрома преждевременного возбуждения желудочков, гипертрофии левого желудоч-
ка, верхушечного инфаркта миокарда, кардиомиопатии, некоторых врожден-
ных заболеваний сердца, смещения вверх диафрагмы (при беременности, ас-
цитах, внутрибрюшных опухолях). 2.2. Основные принципы метода векторкардиографии Векторкардиография представляет собой метод пространственного ди-
намического исследования электрического поля сердца в процессе кардио-
цикла. В основе метода лежит принцип получения пространственной фигу-
ры, являющейся графическим изображением изменений величины и направ-
ления электродвижущей силы в течение всего сердечного цикла. Известно, что при возбуждении мышцы сердца во все моменты сердечного цикла обра-
зуется значительное количество разнонаправленных моментных векторов, оценка каждого из которых невозможна. Это дало основание интегрировать их и при анализе оперировать понятием результирующего вектора сердца, являющегося суммой элементарных векторов каждого момента электриче-
ской активности миокарда. В процессе периодов возбуждения и восстанов-
ления сердечного цикла измеряют величину и направление результирующего вектора сердца
, описывающего в пространстве из предполагаемого центра 110
сердца кривую, названную векторкардиограммой (ВКГ). В веторкардиографии принята своя система координат, для перехода к которой от обычной Декартовой системы координат следует учитывать, что Х = -х, Y = -z, Z = -y (рис. 2.10). Рис. 2.10. Декартова система координат xyz и XYZ, используемая в век-
торном и топографическом анализе ВКГ Три плоскости XZ, XY, и YZ, образованные этими осями координат, представляются как горизонтальная, фронтальная и сагиттальная плоскости соответственно. Существует два способа представления векторкардиограммы: скаляр-
ное и векторное. 2.2.1. Скалярное представление векторкардиограммы Скалярное представление ВКГ вполне соответствует общепринятому представлению стандартной электрокардиограммы (ЭКГ) в двенадцати отве-
дениях – измеренные сигналы изображаются в виде кривых изменения по-
тенциала во времени для каждого отведения. Основные элементы каждой кривой ВКГ также аналогичны элементам стандартной ЭКГ. На рисунке 2.11 представлено упрощенное изображение скалярной ВКГ в одном отведении, содержащее все типичные
элементы. 111
Рис. 2.11. Типичный кардиоцикл скалярной ортогональной электрокардио-
граммы в отведении Х Наибольшее по амплитуде, относительно быстрое отклонение, отра-
жающее процесс деполяризации желудочков сердца называют комплексом QRS. Комплекс QRS, или желудочковый комплекс, отражает деполяризацию желудочков. Продолжительность его от начала зубца Q до начала зубца S не превышает 0,1 сек., и чаще всего он равен 0,06 или 0,08 сек. Измерение его производится в том отведении, где ширина его наибольшая. За комплексом QRS следует пологий или почти горизонтальный участок - сегмент S-T, соответствующий началу реполяризации желудочков, который переходит в отклонение, соответствующее конечной, быстрой реполяризации желудочков – зубец Т. После зубца Т в некоторых случаях удается зарегистрировать зубец U. Происхождение его до сих пор не совсем выяснено. Есть основание считать, что он связан с реполяризацией волокон проводящей системы. Он возникает через 0,04 сек после зубца Т. Перед комплексом QRS обычно имеется отклонение, которое имеет ровную округлую форму, характеризующее процесс деполяризации предсер-
дий и называемое зубцом Р. Горизонтальный участок кардиограммы между зубцом Т (или U) одного из кардиоциклов и зубцом Р
последующего кардиоцикла обычно использует-
ся в качестве истинной изолинии, относительно которой можно измерять значения всех представляющих интерес отклонений. Основные измеряемые параметры скалярной ВКГ - это амплитуда и длительность каждого зубца, а также длительность некоторых характерных комплексов и участков, которые могут включать несколько зубцов и промежутков между ними. Интервал PQ отражает время, необходимое для деполяризации пред-
сердий и проведения импульса по атриовентрикулярному (АВ) соединению, его называют предсердно-желудочковый интервал. Его измеряют от начала зубца Р до начала желудочкового комплекса – зубца Q или зубца R при его 112
отсутствии. В норме продолжительность интервала Р-Q колеблется от 0,12 до 0,20 сек и зависит от частоты сердечных сокращений, пола и возраста иссле-
дуемого. Увеличение интервала P-Q характеризуется как нарушение AВ проводимости. 2.2.2. Векторное представление векторкардиограммы Векторкардиограмма, как в норме, так и при патологии состоит из сле-
дующих элементов (рис. 2.12): 1. Изоэлектрическая (нулевая) точка. 2. Петля Р, являющаяся отражением процессов возбуждения миокарда предсердий, на скалярной ЭКГ ей соответствует зубец Р. 3. Петля QRS, являющаяся отражением возбуждения миокарда желудоч-
ков, на скалярной ЭКГ ей соответствует комплекс QRS. начальное отклонение, соответствующее по времени появлению зубца Q на скалярной ЭКГ. тело петли, в котором принято различать нисходящую (центробежную) и восходящую (центростремительную) части. конечное отклонение, соответствующее по времени появлению зубца S на скалярной ЭКГ. 4. Петля Т, являющаяся отражением процесса восстановления (реполяри-
зации) миокарда желудочков. На ЭКГ ей соответствует зубец Т. Рис. 2.12. Векторная петля на плоскости и ее основные параметры. Интервалы Р-Q, S-Т, Т-Р на ВКГ не видны, так как в моменты, соответ-
ствующие отсутствию разности потенциалов, конец вектора сердца возвра-
щается в нулевую точку. При анализе ВКГ определяют плоскостные и пространственные показа-
тели динамики электрического поля сердца человека. При анализе плоскостных показателей векторной петли рассматривают проекции петель на координатные плоскости. При анализе векторной петли в каждой плоскости определяют: 113
-
длину и ширину петли QRS и их соотношение; -
отклонение вперед, назад, влево и вправо и их отношения в верти-
кальной, горизонтальной и сагиттальной плоскостях; -
величину и направление максимального вектора петель QRS и T; -
величину и направление моментных векторов (обычно моментные векторы определяются через каждые 0,01 с); -
угол расхождения между направлением максимальных векторов QRS и T (∟QRS-T); -
площади петель QRS и T; -
вектор полуплощади (вектор, который делит ВКГ-петлю на две части, равные по площади); -
время переднего и заднего отклонения петли QRS в горизонтальной и сагиттальной плоскостях, верхнего и нижнего отклонения во фронталь-
ной плоскости; -
направление вращения петель QRS и T при формировании петель; При анализе пространственных показателей ВКГ определяют: -
максимальный модуль вектора в каждом из восьми октантов вектор-
кардиографической системы координат; -
интервалы времени пребывания вектора в определенных октантах; -
степень отклонения формы ВКГ-петли от плоской, или ее изогнутости; -
пространственную скорость конца вектора сердца и угловую скорость вектора; -
скорость изменения площади поверхности, ометаемой вектором; -
истинную площадь пространственной ВКГ-петли. Векторкардиографическое исследование проводятся по следующим показаниям: ранняя диагностика гипертрофии миокарда желудочков и предсердий. диагностика гипертрофии желудочка на фоне блокады правой ножки пуч-
ка Гиса. диагностика комбинированной гипертрофии желудочков. наличие полифазных комплексов QRS в правых грудных отведениях. инфаркты миокарда задней локализации. мало измененная или нетипично измененная ЭКГ при несомненном забо-
левании сердца. трудно интерпретируемые изменения предсердного и желудочкового ком-
плексов ЭКГ. Средние величины показателей векторкардиограммы здоровых людей.
В таблицах 2.2. и 2.3. приведены показатели ВКГ здоровых лиц, полученные Франком. 114
Плоскостные показатели ВКГ (на основании исследования 100 здоровых) Таблица 2.2. Наименование Значений Горизонтальная плоскость Фронтальная плоскость Сагиттальная плоскость Максимальный вектор петли QRS, мВ 1,12 ± 0,21 1,18 ± 0,15 1,16 ± 0,12 Направление, градусы 335 ± 30 42,3 ± 7,2 5,35 ± 22,3 Максимальный вектор петли Т, мВ 0,58 ± 0,18 0,46 ± 0,11 0,52 ± 0,12 Направление, градусы 52 ± 12,5 36,2 ± 10,1 146,3 ± 30,2 Моментные векторы, градусы 0,01с 0,02с 0,03с 0,04с 120 ± 41 54 ± 25 12 ± 12 355 ± 20 152 ± 72 40 ± 53 36 ± 12 46 ± 18 192 ± 50 150 ± 38 146 ± 22 92 ± 16 Пространственные показатели ВКГ (на основании 100 здоровых) Таблица 2.3. Наименование значений Величины Максимальный пространственный вектор петли QRS, мВ 1,42 ± 0,25 Максимальный пространственный вектор петли Т, мВ 0,58 ± 0,22 Пространственный угол QRS-T, градусы 68,7 ± 24,6 Азимут, градусы 392,4 ± 35,3 Угол подъема, градусы 50,4 ± 16,2 2.3. Применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведений векторкардиографии С распространением автоматического анализа ЭКГ очень актуальным становится вопрос уменьшения числа отведений. Для этой цели хорошо под-
ходит методика их восстановления. Проведем математическое моделирование процесса векторкардио-
графии.
Дипольный эквивалентный электрический генератор сердца (ДЭ-
ЭГС) в процессе электрической систолы описывается колебательным конту-
ром. Этот контур включает в себя активное, индуктивное и емкостное сопро-
тивления, а также источник с ЭДС, изменяющейся по закону, который соот-
ветствует закону изменения потенциала водителя ритма (рис. 2.13). 115
R
C
L
Е
Рис. 2.13. Колебательный контур. Рассмотрим работу ДЭЭГС в процессе электрической систолы. Будем считать, что сердце обладает активным сопротивлением R, индуктивностью L, и емкостью С. Так как обычно при диагностике исследуются измерения проекций интегрального электрического вектора (ИЭБ) на выделенные плос-
кости, рассмотрим в качестве модели ДЭЭГС три взаимно перпендикуляр-
ных колебательных контура, расположенных во фронтальной, горизонталь-
ной и сагиттальной плоскостях (рис. 2.14). Рис. 2.14. Схема дипольного эквивалентного электрического генератора сердца ЭДС Е во всех контурах одинаковы. Для желудочков непосредственным водителем ритма является атриовентрикулярный узел. Так как в процессе кардиоцикла происходит изменение емкости С связанной с циклической час-
тотой, то электрические колебания в ДЭЭГС носят параметрический харак-
тер. Любой плоскости зависимость дипольного момента D ИЭВ от угла по-
ворота определяется дифференциальным уравнением 1
2
2
CD
d
Dd
. (2.1) где С
1
- постоянная величина. Решением этого уравнения является зависимость вектора дипольного момента от угла поворота и времени, которое удобно записать в виде 116
2/cos2/sin
22
BAD
. (2.2) В формуле (2.2) А и В – постоянные интегрирования, так что С
1
=(А+В)/2. Угол ﴠэто угол наклона электрической оси сердца (ЭО) или оси петель вектор - электрокардиограммы. На рисунке 9 показана векторкар-
диограмма петель SQR и T, построенная по формуле (2.2). Рис. 2.15. Векторкардиограмма в полярных координатах. Угол принят равным 2,3 рад, что примерно соответствует норме. По-
ложительным считается направление против часовой стрелки. Проектируя на линию отведения петли рис. 2.15 на горизонтальное на-
правление – отведение Х векторкардиограммы, можно построить линейную векторкардиограмму по формуле: cos
cos
2/sin
cos
2/cos
cos
2
2
2
2
TRkDU
Х
, (2.3) где k – постоянный коэффициент, согласующий размерность U и D; R и T – амплитуды зубцов ЭКГ. (Рисунок 2.16 построен для длин главных осей петель В=2,0∙10
-5 Ам [3]. А=В/(R/T)=0,67∙10
-5
Ам. Амплитуды зубов ЭКГ приняты: R=1,5 мB, T=0,5 мB.) Из сравнений формул (2.2) и (2.3), а также рисунка 2.16 видна связь про-
екций длин главных осей петель SQR и T равных соответственно В и А на ли-
нию отведения амплитудами зубцов линейной ЭКГ R и T. Аналогично рассуждая можно получить выражения для отведений Y и Z: sin
cos
2/sin
cos
2/cos
sin
2
2
2
2
TRkDU
Y
, (2.4) 117
.cos
cos
2/sin
cos
2/cos
tgcos
2
2
2
2
tgTRkDU
Z
(2.5) Графики функций, описывающие три ортогональных отведения вектор-
кардиографии представлены на рисунке 2.16. Х Y Z Рис. 2.16. Математические модели ортогональных отведений векторкар-
диографии. 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортогональных
Существует метод линейного синтеза стандартной электрокардиограм-
мы, сигнал каждого стандартного отведения представляют в виде суммы произведений сигналов трех ортогональных отведений на постоянные коэф-
фициенты. Тогда сигнал любого стандартного отведения в каждый момент времени можно выразить следующим уравнением: tZLtYLtLt
TZTYTX
где X(t) Y(t) Z(t) – сигналы трех ортогональных отведений в стандарт-
ной векторкардиографической системе координат, показанной на рисунке L
tx
L
ty
L
tz
– постоянные коэффициенты (i = |, ||, |||, аVL, аVR, аVF, V
1
, V
2, V
3
, V
4
, V
5
, V
6 обозначение стандартных отведений). При этом сигналы всех отведе-
ний удобно трактовать как потенциалы поля дипольного электрического ге-
нератора, изменяющего на протяжении кардиоцикла свою интенсивность и свою ориентацию, т.е. вектор дипольного момента, а коэффициенты L
tx
L
ty
L
tz – как компоненты вектора отведения. Для определения этих коэффициентов используют методы, основанные либо на формулировке и расчете более или менее сложных электродинамических моделей сердца как дипольного элек-
трического генератора и тела как объемного проводника, либо на экспери-
ментальном исследовании реальных испытуемых и подборе значений коэф-
фициентов из условия наиболее точного приближения стандартной
электро-
кардиограммы при помощи ортогональной для кардиоцикла в целом. По-
следний, эмпирический подход отличается тем, что коэффициенты учитыва-
ют не только собственно дипольный вклад в сигналы стандартных отведе-
ний, найденные экспериментально при использовании разных методов син-
теза отведений на основе корригированной ортогональной системы отведе-
118
ний Франка таблица 2.4. Нередко наблюдаются весьма значительные разли-
чия между измеренными и синтезированными стандартными электрокардио-
граммами у конкретных испытуемых, особенно в грудных отведениях. Тем не менее, при использовании постоянных осреднений значений коэффициен-
тов, определении на синтезированной стандартной электрокардиограмме общепринятых параметров и применении к ним общепринятых критериев диагностики удается в среднем получить
практически такую же точность ди-
агностики, как и при регистрации стандартной электрокардиограммы. Таблица 2.4. Стандартное от-
ведение L
X L
Y L
Z
I 1.05 -0.28 0.19 II 0.37 1.45 -0.14 III -0.68 1.73 -0.33 АVR -0.71 -0.59 -0.03 AVL 0.87 -1.01 0.26 AVF -0.15 1.59 -0.24 V
1 -0.65 -0.67 -1.06 V
2 0.06 -0.86 -1.58 V
3 0.99 -0.42 -1.50 V
4 1.67 -0.13 -0.84 V
5 1.53 -0.06 -0.14 V
6 1.10 -0.06 0.33 Применив данный метод синтеза к рассмотренной выше математической модели процесса векторкардиографии были получены следующие результа-
ты для второго отведения (II(x)), для второго грудного отведения (V2(x)) и для отведения aVR (aVR(x)): Таким образом, мы на собственном опыте убедились в том, что методи-
ка восстановления стандартных отведений из трех ортогональных теоретиче-
ски обоснована и может быть использована в разрабатываемом устройстве с целью синтеза двенадцати общепринятых отведений из регистрируемых ор-
тогональных на компьютере. 3. Искусственная вентиляция легких Искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) применяют ежедневно у многих тысяч больных во время оперативных вмешательств и в процессе ин-
тенсивной терапии. Для большинства анестезиологов и реаниматологов ИВЛ – рутинная процедура. Однако кажущаяся некоторым врачам простота и “привычность” ИВЛ не гарантируют от ошибок и связанных с ними ослож-
нений. Различным проблемам теории и
практики ИВЛ посвящено огромное число исследований. Это свидетельствует, что далеко не все вопросы разре-
119
шены. Различные методы искусственной вентиляции используют не только анестезиологи и реаниматологи, но и терапевты, невропатологи, токсиколо-
ги, врачи скорой помощи. За последние 10 лет произошли значительные изменения во многих кон-
цепциях и подходах к респираторной поддержке. В первую очередь это каса-
ется разработки и внедрения в практику новых способов и режимов ИВЛ
, особенно вспомогательной вентиляции легких (ВВЛ). Усовершенствованы методы проведения ИВЛ и ВВЛ без интубации трахеи через маску и трахе-
альный катетер. Отечественные анестезиологи и реаниматологи получили возможность использовать многие современные аппараты ИВЛ (респираторы), которые обладают широкими функциональными возможностями. Значительно рас-
ширились также возможности инструментального обследования больных и мониторинга. В то же время опыт показывает, что все эти возможности ис-
пользуются не всегда в достаточной степени и методически правильно. Это не только обедняет арсенал средств респираторной поддержки, но и может принести вред больному. В зарубежной литературе в последние годы получил достаточно широ-
кое распространение термин «respiratory support» – респираторная поддерж-
ка. Можно считать этот термин вполне
правомочным, если под ним понима-
ют методы, позволяющие обеспечить полноценную вентиляцию легких, ко-
гда самостоятельное дыхание выключено, утрачено или резко нарушено. Но не следует ставить знак равенства между респираторной поддержкой и респираторной терапией. Последнее понятие гораздо шире, в него входит комплекс методов, улучшающих тканевый газообмен воздействием на аппа-
рат вентиляции, кровообращение и метаболизм. Что касается респираторной поддержки, то основными ее компонентами являются ИВЛ и ВВЛ. Большой опыт мировой практики, предполагающий наличие у врача со-
временной высококачественной аппаратуры не означает, что эффективную респираторную поддержку невозможно осуществить с помощью широко распространенной отечественной аппаратуры. Подтверждение этому – десят-
ки тысяч успешно проведенных анестезий при сложнейших
операциях и ты-
сячи спасенных жизней больных с тяжелейшими формами дыхательной не-
достаточности, многочисленные глубокие исследования, проведенные в на-
шей стране с помощью относительно простых аппаратов с ограниченным выбором режимов. 3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности Имеется множество определений дыхательной недостаточности. Не вда-
ваясь в анализ и критический обзор разноречивых взглядов многих исследо-
вателей, приведем определение, основанное на принятом в 1962 г. на XV Всесоюзном съезде терапевтов, с небольшим, но практически важным допол-
нением. Это определение отражает взгляды классиков отечественной физио-
логии и терапии Л.Л. Шика и А.Г. Дембо. Оно лучше всего подходит для 120
клинической практики. Дыхательная недостаточность – состояние организма, при котором либо не обеспечивается поддержание нормального напряжения О
2
и СО
2
в арте-
риальной крови, либо оно достигается за счет повышенной работы внешнего дыхания, приводящей к снижению функциональных возможностей орга-
низма, либо поддерживается искусственным путем. Как видно из определения, дыхательная недостаточность совсем не обя-
зательно проявляется гипоксемией и гиперкапнией, при медленном развитии включается ряд компенсаторных механизмов (в первую очередь усиленная работа дыхания), позволяющих длительно поддерживать PaCO
2
и PaO
2
на приемлемом для организма уровне. На ранних стадиях медленно развиваю-
щегося процесса нарушения газового состава и кислотно-основного состоя-
ния (КОС) крови могут возникать только при физической нагрузке. Дыха-
тельная недостаточность бывает острой и хронической. Последняя нарастает постепенно, развивается в течение нескольких месяцев или лет. Для нее ха-
рактерно сочетание гипоксемии с гиперкапнией, но pH может длительно ос-
таваться в пределах нормальных значений. Расстройства гемодинамики так-
же возникают достаточно поздно, а поражение недыхательных функций лег-
ких – в основном в финальной стадии и при декомпенсации. Острая дыха-
тельная недостаточность имеет важные качественные отличия от хрониче-
ской. Острая дыхательная недостаточность – быстро нарастающее тяжелое со
-
стояние, обусловленное несоответствием возможностей аппарата внешнего дыхания метаболическим потребностям органов и тканей, при котором на-
ступает максимальное напряжение компенсаторных механизмов дыхания и кровообращения с последующим их истощением. Даже при максимальном напряжении компенсаторных механизмов не обеспечивается нормальное PaO
2 и нормальное PaCO
2
. ОДН всегда сопровождается нарушением гемо-
динамики. Для ОДН характерно быстрое развитие, уже через несколько часов, а иногда и минут может наступить смерть больного. Характерным признаком ОДН является гипоксемия (если она не устранена искусственным путем). При большинстве форм ОДН гипоксемия чаще всего сочетается с гипокапни-
ей, повышение PaCO
2
происходит в далеко зашедших стадиях, а также при некоторых формах ДОН. На раннем этапе возникают сдвиг pH в кислотную сторону за счет генерализованных нарушений гемодинамики и нарушение метаболических функций легких. 3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недостаточности
При оценке степени тяжести ОДН необходимо учитывать не только глу-
бину гипоксии или гиперкапнии, но и состояние компенсаторных функций организма. При этом надо иметь в виду положительные и отрицательные стороны усиленной компенсации, четко представлять себе, какими усилиями 121
достигается устранение или уменьшение тканевой гипоксии и насколько оно полноценно. При ОДН одной из первых и основных реакций на гипоксемию является увеличение МОД. Он достигается в начале увеличением дыхательного объе-
ма (если это возможно в данных условиях), а затем учащением дыхания. Увеличение глубины дыхания способствует снижению шунтирования крови справа налево и
улучшению центральной гемодинамики, но при этом повы-
шается потребление кислорода. Различают четыре типа (стадии) компенсаторной гипервентиляции. При первом, наиболее физиологичном, типе МОД увеличивается только на 20 – 25 %, но VO
2 возрастает более чем в три раза. Этот тип компенсации харак-
терен для больных с умеренными нарушениями гемодинамики, отсутствием выраженного снижения кислородной емкости крови. Компенсация достига-
ется за счет увеличения дыхательного объема. Второй тип компенсации – значительное увеличение МОД (на 85 – 90 %) и учащение дыхания, VO
2 по-
вышено втрое. Третий тип крайнее напряжение компенсаторных механизмов. МОД увеличен в 2 раза, но VO
2
всего на 30 – 35 % превышает должные вели-
чины. Четвертый тип (стадия) – наступающая декомпенсация. МОД умень-
шается и только на 30 – 35 % превышает должные величины. Дыхательный объем значительно снижен, гипервентиляция осуществляется за счет резкого увеличения частоты дыхания. Другим, тоже очень рано включающимся компенсаторным механизмом является увеличение транспорта кислорода. В ответ на снижение оксигена-
ции тканей увеличивается сердечный выброс. Однако при этом также имеют место два механизма компенсации: увеличение ударного объема (благопри-
ятный тип компенсации) и увеличение частоты сердечных сокращений и сердечного индекса без возрастания ударного объема (неблагоприятный тип компенсации). При тахикардии, как правило, развивающейся у больных с ОДН, значительно увеличивается потребление кислорода миокардом и исто-
щаются
резервы последнего. Одним из компенсаторных механизмов является расширение капилляр-
ной сети, в результате чего увеличивается ее пропускная способность. Эта реакция возникает чаще всего в ответ на гиперкапнию. Однако расширение капилляров быстро приводит к стазу в них, депонированию и сгущению кро-
ви. Таким образом, транскапиллирный обмен падает, и временно увеличен-
ная доставка кислорода к тканям снижается ниже исходного уровня. Наконец, при накоплении в организме недоокисленных продуктов обме-
на и связанной угольной кислоты (бикарбоната) они начинают усиленно вы-
деляться с мочой. При этом в почечных канальцах усиливается реабсорбция гидрофильных ионов натрия. Это приводит к задержке натрия и воды в орга-
низме и олигурии
. Таким образом ОДН приводит в действие целый ряд сложных компенса-
торных механизмов, несовершенство которых заложено в самой их основе. После определенного периода напряжения функции ряда систем (в первую очередь дыхания и кровообращения) наступает их декомпенсация. 122
3.1.2. Клинические признаки острой дыхательной недостаточности Первым клиническим симптомом ОДН чаще всего является ощущение нехватки воздуха (одышка). Дыхание становится сначала углубленным, за-
тем учащенным. При непроходимости верхних дыхательных путей одышка носит преимущественно инспираторный характер, при бронхиальной непро-
ходимости – экспираторный. В случае преобладания рестриктивных процес-
сов и шунтирования крови справа налево дыхание сразу становится учащен-
ным. Если гипоксемия сочетается с гипокапнией, то развитие клинической картины можно разделить на три стадии. Стадия 1. Первые симптомы – изменение психики. Больные несколько возбуждены, напряжены, негативны по отношению к окружающим, часто жалуются на головную боль. Артериальное давление, особенно диастоличе-
ское, повышено, тахикардия. Стадия 2. Сознание спутано, появляются агрессивность, двигательное возбуждение. При быстром нарастании гипоксии могут
быть судороги. В ды-
хании принимают участие вспомогательные мышцы. Стойкая артериальная гипертония, тахикардия, иногда экстрасистолия. Стадия 3. Гипоксическая кома. Сознание отсутствует. Возникают судо-
роги. Артериальное давление критически падает. Аритмия пульса. Если больному не оказана своевременная помощь, наступает смерть. При сочетании гипоксемии с гиперкапнией (гиповентиляционный син-
дром) также можно различить три стадии. Стадия 1. Больные эйфоричны, говорливы, но речь прерывистая. Бес-
сонница. Артериальное и центральное венозное давление повышено. Тахи-
кардия. Стадия 2. Больные возбуждены, иногда беспричинно веселы, не отдают себе отчета в тяжести своего состояния. Выраженная артериальная и веноз-
ная гипертония, стойкая тахикардия. Стадия 3. Ацидотическая кома. Сознание постепенно утрачивается, больные «успокаиваются», впадают в карбонаркоз. Арефлексия
. Артериаль-
ное давление снижается, пульс аритмичный. Наступает смерть. Определение степени тяжести ОДН чрезвычайно важно для выбора ра-
циональной терапии. 3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиляции легких Искусственной вентиляцией легких (ИВЛ) называют обеспечение газо-
обмена между окружающим воздухом (или специально подобранной смесью газов) и альвеолярным пространством легких искусственным способом. Основными задачами ИВЛ в интенсивной терапии являются обеспече-
123
ние адекватного метаболическим потребностям организма газообмена в лег-
ких и полное освобождение больного от работы дыхания. Вспомогательной вентиляцией легких (ВВЛ) принято называть поддер-
жание заданного (или не ниже заданного) минутного объема вентиляции при сохраненном дыхании больного. Основными задачами ВВЛ являются поддержание адекватного газооб-
мена в легких, уменьшение работы дыхания, а также облегчение перехода больного от ИВЛ к самостоятельному дыханию. Основным методом ИВЛ в настоящее время является вдувание газа в дыхательные пути. Но не меньший интерес вызывает проблема управления функцией внешнего дыхания путем ритмической электрической стимуляции диафрагмальных нервов (ЭСДН) и диафрагмы (ЭСД). 3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания Сообщения об успешном применении длительной ЭСДН у больных бульбарным полиомиелитом появились в 1948 – 1950г. На первых этапах раз-
работки методов основное внимание уделяли изучению возможности их дли-
тельного использования при вентиляционной центрогенной и нервно-
мышечной ОДН (энцефалит, полиомиелит, травма шейного отдела спинного мозга и т.д.). Успешно применяется кратковременная ЭСДН и
ЭСД после нейрохирургических операций, при ОДН, вызванной черепно-мозговой травмой, высокой спиномозговой анестезией, травматическим шоком, а так-
же для респираторной поддержки в до- и послеоперационном периодах при операциях на легких и при отравлении барбитуратами. Метод ЭСДН не получил распространения из-за необходимости опера-
тивного вмешательства (обнажение диафрагмального нерва для наложения на него электрода), развития в этой области отека тканей, деполяризации в месте контакта стимулирующих электродов с нервом; трудности обеспечения стабильного эффекта и опасности повреждения сосудистых стволов (при подкожном введении игольчатых электродов в область грудинно-
ключичного сочленения); нестабильности эффекта и возникновения побоч-
ных явлений (при транскутанной электростимуляции в области шеи с помо
-
щью «пальцевого» электрода) и т.д. Метод чрескожной ЭСД лишен вышеперечисленных недостатков по-
этому он находит широкое применение особенно в комплексной терапии больных со специфическими и неспецифическими заболеваниями легких. 3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической стимуляции диафрагмального дыхания Для ЭСД используют четыре сетчатых плоских электрода. Процедуру выполняют натощак или через 1,5 – 2 часа после еды в положении больного лежа на спине. Наложение электродов. На поверхность электродов наносят тонкий слой 124
токопроводящей пасты (можно использовать пасту для электродов ЭКГ) или накладывают марлевые салфетки, смоченные изотоническим раствором хло-
рида натрия. Два катода (активные электроды) накладывают в седьмом меж-
реберье кнаружи от срединно-ключичной линии симметрично с обеих сто-
рон. Электроды должны плотно прилегать к коже. Для этого в зависимости от формы грудной клетки
их можно сдвинуть на 2—3 см в ту или другую сторону по ходу межреберья. Два анода (пассивные электроды) накладывают на спину на уровне Тhх по горизонтали и так, чтобы они находились напро-
тив катодов (расположенных спереди) по вертикали. Электроды закрепляют резиновым ремнем или лейкопластырем. При неэффективности процедуры можно поменять расположение элек-
тродов (катоды сзади, аноды спереди). Подбор параметров чрескожной ЭСД. Во время каждого сеанса, в его начале, а иногда и на всем протяжении, необходим индивидуальный подбор параметров. После включения аппарата в первую очередь подбирают частоту импульсов («частота дыхания») соответственно частоте дыхания больного. Если в процессе сеанса ЧЭСД частота собственного дыхания пациента
сни-
жается, частоту импульсов также следует уменьшить. Затем подбирают «скважность», т.е. отношение длительности вдох : вы-
дох. Практика показала, что в основном больные хорошо переносят отноше-
ние 1 : 1, которое мы и рекомендуем использовать. Однако возможно и от-
ношение 1 : 2 и даже 1 : 3, но только, если это создает комфорт для пациента. Подбор напряжения (от 10 до 50 В) осуществляют путем постепенного его повышения, до появления у больного ощущения сокращения диафрагмы, синхронно с началом спонтанного вдоха, обязательно (1) совпадающего с сигналом аппарата. Обычно при повышении напряжения вначале начинают слегка сокращаться мышцы передней брюшной стенки, а затем появляется глубокий вдох, свидетельствующий об активизации диафрагмы. При появле-
нии ощущения покалывания в
местах наложения электродов необходимо уменьшить напряжение. Чаще всего напряжение подбирают в диапазоне от 20 до 50 В. Однако у некоторых больных на протяжении сеанса может насту-
пить привыкание диафрагмы к электрическому раздражению и дыхательный объем уменьшается. При этом следует несколько повысить напряжение им-
пульса. В наших наблюдениях длительность импульса также подбирали инди
-
видуально, в зависимости от ощущений больного. Большинство пациентов отмечали состояние комфорта при длительности 0,5—0,8 мс. Мы отметили, что у больных с выраженной эмфиземой легких приходилось задавать наи-
большие напряжение и длительность импульсов. Иногда у больных может возникать кратковременное головокружение, связанное с избыточной вентиляцией легких. В этом случае рекомендуется уменьшить частоту дыхания, генерируемую аппаратом так, чтобы она была на 10—20 % меньше частоты самостоятельного дыхания. При собственной частоте дыхания больше 20 в минуту следует устанавливать частоту импуль-
сов близкой к частоте дыхания пациедта, а для исключения гипервентиляции 125
уменьшать амплитуду тока до 80—90 % от субмаксимального уровня. Продолжительность первого сеанса обычно составляет 15— 20 мин, по-
следующих, в зависимости от переносимости процедуры, — 20—30 мин. Частота проведения сеансов —1—2 в сутки. Для повышения эффективности чрескожной ЭСД рекомендуется соче-
тать ее с ингаляцией кислорода и ультразвуковой аэрозольной терапией. Предложены различные составы для ингаляций, например: раствор йо-
дида
калия 3 % — 7,0 мл раствор эуфиллина 2,4 % — 2,0 мл раствор эфедри-
на 5% —0,5 мл ИВЛ (в первую очередь при катетерном способе) и необходимого мони-
торинга является важной задачей. Роль этих факторов существенно возраста-
ет при проведении длительной струйной ВЧ ИВЛ. При инжекционной ВЧ ИВЛ проблемы кондиционирования могут быть достаточно успешно решены за счет эжекции аэрозоля, горячего пара (при коммутации аэрозольного ин-
галятора или увлажнителя-обогревателя с инжектором) или гипербарическо-
го кондиционирования, при чрескатетерной струйной ВЧ ИВЛ — путем ис-
пользования гипербарического кондиционирования, а при проведении ВЧ ВВЛ — за счет ингаляции теплого аэрозоля пациентами, находящимися в сознании. Рекомендуется также сочетать сеансы ЭСД с массажем грудной клетки и лечебной
физкультурой, стационарной фибробронхоскопией, физиотерапев-
тическими процедурами, направленными на ослабление воспалительного процесса в бронхах. Таким образом, для ЭСД характерно: - частота дыхания полностью определяется больным; - дыхательный объем несколько увеличен за счет увеличения амплитуды движения диафрагмы; - работа дыхания не уменьшается, а несколько увеличивается. Если параметры чрескожной ЭСД подобраны правильно, во время сеан
-
са больной не отмечает никаких неприятных ощущений. Наоборот наступает состояние покоя, расслабленности. Многие пациенты во время сеанса засы-
пают, у них уменьшается частота дыхания, менее выражено ощущение не-
хватки воздуха. При откашливании облегчается отхождение мокроты. Непо-
средственно после сеанса ЭСД несколько улучшаются спирографические по-
казатели и РО
2
капиллярной крови. Однако эффект от одного сеанса ЭСД нестоек и перед следующим сеан-
сом основные параметры дыхания возвращаются к исходным величинам. Бо-
лее стойкое улучшение наступает после 5 – 6 сеансов. В раннем периоде после полостных оперативных вмешательств у боль-
ных, которым до операции применяли ЭСД, быстрее восстанавливается спонтанное дыхание. Своеобразная тренировка дыхания
во время сеансов ЭСД позволяет больным в послеоперационном периоде легче контролиро-
вать процесс вентиляции легких, периодически увеличивать дыхательный объем и откашливать мокроту. Методика ЭСД во время операций не отличается от общепринятой. Для 126
поддержания стабильного эффекта рекомендуется постепенно увеличивать амплитуду напряжения, а в раннем послеоперационном периоде для облегче-
ния синхронизации с электростимулятором проводить процедуру в положе-
нии Шеде (с согнутыми в коленях ногами). 3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П Электростимулятор дыхания ЭСД-2П (рис. 2.17) представляет собой переносной прибор настольного типа, конструктивно выполненный в виде двух блоков, габариты каждого блока 25 25 13 см, общая масса аппарата не превышает 5 кг. На лицевой панели каждого из блоков размещены ручки и кнопки для подбора выходных параметров. Первый блок служит для регули-
рования выходных энергетических
сигналов: амплитуды импульсов от 0 до 20 мА и напряжения от 0 до 50 В в зависимости от применяемого типа элек-
тростимуляции. На лицевой панели второго блока расположены два ряда кнопок, по 10 кнопок в каждом. Они служат для установления длительности одиночного импульса от 0,1 до 1,0 мс (верхний ряд) и частоты следования пачек импульсов (частота дыхания
) с дискретным регулированием от 10 до 56 циклов в минуту. Принципиальным для электростимуляции дыхания яв-
ляется, как происходит заполнение пачек импульсов, от этого зависит ха-
рактер сокращения диафрагмы и вдоха — будет ли он достаточно плавным или резким, тетанического типа. Одни исследователи предпочитают приме-
нять ЭСД с амплитудной модуляцией, т.е. с постепенным
нарастанием ам-
плитуды импульсов в посылке, другие — с частотной модуляцией, когда при фиксированной амплитуде сигнала постепенно меняется частота заполнения посылки электрическими импульсами. На наш взгляд, в аппарате ЭСД-2П удачно реализован принцип частотной модуляции: до середины посылки им-
пульсов их частота нарастает по линейно-ступенчатому закону от 9 до 27 Гц, а в течение второй половины посылки — остается постоянной, равной 27 Гц. Как свидетельствует наш опыт применения электростимулятора у хирурги-
ческих и терапевтических больных, при данном принципе заполнения по-
сылки импульсов обеспечивается достаточно плавное сокращение диафраг-
мы и отсутствие дискомфортных ощущений у пациентов. Основное назначение электростимулятора ЭСД-2П — проведение чре-
скожной электростимуляции диафрагмы с
помощью пластинчатых электро-
дов (см. введение). Однако он может быть применен и для непосредственной стимуляции диафрагмального нерва или диафрагмы, а также для проведения радиочастотной стимуляции с помощью отдельного блока. С этой целью в комплект аппарата входят дополнительно соответствующие электроды. Электростимулятор содержит также дополнительный вход для запуска внешним импульсом, что дает потенциальную возможность его применения в биосинхронизированном режиме («триггерная ЭСД»). В более простом ва-
рианте, применяемом, например, для адаптации пациента к электростимуля-
тору, предусмотрена возможность ручного запуска пачки импульсов син-
127
хронно с началом дыхательной попытки пациента. Рис. 2.17. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П. 3.4. Использование реографических методов для оценки интенсивности дыхания Реография – это бескровный метод исследования кровоснабжения раз-
личных органов, основанный на регистрации изменения электрического со-
противления тканей органов человека помещенных в электрическое поле или включенных в электрическую цепь. Биофизически основой этого метода является зависимость сопротивле-
ния тканей органов от изменения объёма и состава
крови в исследуемом участке тела человека. Измеренный при реографических исследованиях пол-
ный импеданс состоит из переменной и постоянной составляющих. При исследовании гемодинамики информативной является переменная составляющая (пульсовой импеданс). Имеются сообщения об использовании при реографии значений посто-
янной составляющей компоненты сопротивления (базового импеданса) груд-
ной клетки. По мнению большинства специалистов величина базового импе-
данса (R) определяется видом и объёмом биологических тканей, заключен-
ных в межэлектродном пространстве. При этом одни из них (жировая клет-
чатка, сердце, костная, лёгочная и соединительная ткани) обладают относи-
тельным постоянством при формировании базового импеданса, другие (био-
логические жидкости и альвеолярный воздух) являются наиболее изменяю-
щимися компонентами базового импеданса. Эти
данные позволяют исполь-
зовать величину базового импеданса как для суждения об уровне давления в лёгочной артерии, так и для оценки изменения насыщения крови и альвеол кислородом, зависящей от интенсивности дыхания. При таких исследованиях целесообразно использовать отношение рас-
четного и истинного базовых импедансов, условно названное индексом базо-
вого импеданса (ИБИ). Величина
расчетного базового импеданса определяется исходя из фор-
мулы: Rp = ( l
2
) / V (2.6) 128
Где - удельное сопротивление крови (Ом см), l – расстояние между электродами, V – межэлектродный объём биоткани. Считаем в первом приближении объём биоткани пациента в межэлек-
тродном пространстве близким к цилиндрическому. Исходя из этого получа-
ем: V = (с
2
l) / 12.56 (2.7) Где с – окружность грудной клетки в состоянии выдоха на уровне мече-
видного отростка грудины (см). Величина истинного базового импеданса вычисляется по формуле: R = (
экв.
l 2
) (2.8) Где экв.
– удельное сопротивление тканей между электродами, Так как наиболее токопроводящей является кровь, то экв
> , и, следо-
вательно ИБИ < 1. При таком соотношении экв
и снижение ИБИ должно говорить об уменьшении содержания в крови кислорода, т.е. об уменьшении интенсивно-
сти дыхания. Были проведены многочисленные исследования этой проблемы. При проведении реографического исследования были обнаружены отклонения от нормы у 150 человек. У 75 из 150 больных при рентгеноскопическом анализе были обнаружены признаки застоя в легких различной степени. Результаты исследования, обработанные методами корреляционного анализа позволили определить средние значения ИБИ, базового импеданса R и общего перифе-
рического сопротивления (ОПС). Эти данные приведены в таблице 2.5. Таблица 2.5. Показатель Без измене-
ний в лёгких Венозный за-
стой в верхних долях лёгких Диффузион-
ный застой в лёгких Интерстицио-
нальный отёк лёгких ИБИ 7.8 10
-2
0.003 6.2 10
-2
0.002 5.8 10
-2
0.0015 4.95 10
-2
0.002 ОПС 1810 121 1920 135 2360 210 2660 304 R, Ом 144 4.8 147 4.3 150 3.1 152 4.6 Приведенные данные показывают, что на основании реографического исследования можно оценивать динамику изменения интенсивности дыха-
ния, причём уменьшению интенсивности дыхания будет соответствовать уменьшение ИБИ, рост ОПС и базового импеданса R. Из всех известных способов включения объекта в измерительную цепь наи-
129
более информативным является тетраполярный способ, при котором раз-
дельно соединяются генераторная (токовая) и измерительная (потенциаль-
ная) цепи. Генераторная цепь обеспечивает стабильный ток, а измерительная в этом случае позволяет оценивать изменение сопротивления. 3. Электрохимические методы 1. Исследование метода определения рН в органах желудочно-кишечного тракта 1.1. Постановка проблемы измерения рН Ранняя и объективная диагностика заболеваний, в том числе функцио-
нальных нарушений желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) — актуальный и важный этап развития современной гастроэнтерологии. Интенсивное изуче-
ние секреторной функции желудка в клинике и в эксперименте в течение по-
следних 100 лет позволило раскрыть многие стороны физиологии и патоло-
гии ЖКТ. Понять в полной мере
патологические сдвиги секреторной функ-
ции желудка, оценить влияние и взаимосвязи с функциями других органов и систем, а также субъекта в целом, невозможно без знания его нормальной физиологии. Прежде, чем приступить к исследованию функционального состояния желудка, врач должен иметь представление о том, что считать нормальным желудком, нормальным исходным состоянием и нормальной реакцией сис-
темы желудка. Главным критерием нормальности всей системы ЖКТ являет-
ся способность работать и управлять своими функциями. Нормальным ис-
ходным состоянием следует считать такое функциональное состояние кисло-
тообразующих желез, когда они натощак находятся в физиологическом по-
кое и не выделяют соляную кислоту. При этом внутрижелудочная среда име-
ет нейтральную или
щелочную реакцию. Однако исходное состояние данной системы еще не свидетельствует о нормальном желудке, пока не станет из-
вестно, способна ли кислотообразовательная система выделять соляную ки-
слоту при воздействии адекватных раздражителей. Нормальная ответная ре-
акция желудка — это способность его кислотообразовательной системы вы-
делять соляную кислоту. Термином "желудочное содержимое" принято обозначать сложную смесь из собственно желудочного сока, переваренной в той или иной степени пищи, слюны и частично дуоденального химуса. Желудочный сок, имеющий достаточно сложный состав, продуцируется неоднородными в морфологиче-
ском отношении клетками. Клетки слизистой оболочки дна и тела желудка вырабатывают как кислый, так и щелочной секреты, клетки антрального от-
дела — только щелочной. При
этом клетки поверхностного эпителия дна и тела желудка продуцируют слизь, главные клетки — преимущественно фер-
менты, а обкладочные клетки — соляную кислоту. В упрощенном виде об-
130
кладочная клетка рассматривается как мощный механизм, осуществляющий разделение Н
и ОН
(НСО
з), что позволяет доводить величину рН в полос-
ти желудка до 0,8. Выделение соляной кислоты в желудке создает резкий пе-
репад величины рН как по отношению к величине рН в полости рта, так и в полости 12-перстной кишки, куда поступают щелочные секреты. Скачкооб-
разные изменения рН вдоль пищеварительной трубки являются своеобраз-
ным
приспособлением, обеспечивающим оптимальную деятельность фер-
ментов. Увеличение кислотности среды вызывает инактивацию ферментов, действующих только в щелочной среде и создает условия для пепсинов — протеолитических ферментов желудка, два из которых эффективны в диапа-
зоне рН от 1,5 до 2 и от 3,2 до 3,5. Кислая среда способствует быстрому обра-
зованию пепсина из его предшественника пепсиногена. Активность водород-
ных ионов в полости желудка и 12-перстной кишки является мощным регу-
лятором секреторной и двигательной активности желудка, а также деятель-
ности близлежащих органов — поджелудочной железы, печени, желчевыво-
дящей системы, кишечника и т.д. Как известно, степень кислотности или щелочности растворов выража-
ется или концентрацией в них ионов водорода (ммоль/л
) или в единицах рН. Поскольку концентрация ионов водорода в растворах, с которыми чаще всего приходится иметь дело в повседневной практике очень мала (например кон-
центрация водородных ионов в чистой воде составляет 10
7
моль/л), что не-
удобно, в 1909 году Sorensen предложил использовать водородный показа-
тель - рН. По определению Sorensen рН является логарифмом концентрации ионов водорода в водном растворе, взятому с обратным знаком: pH=-lg[H
] Таким образом, в нейтральной среде, где концентрация Н+ составляет 10
7
, рН составляет 7 единиц. В кислых растворах, где концентрация ионов водорода выше (например, 10
2
или 10
3
моль/л), рН < 7, а в щелочных (на-
пример, 10
8
или 10
9
моль/л), рН > 7 единиц. Пятнадцать лет спустя с развитием термодинамической концепции ионной активности определение Sorensen было изменено, и сегодня рН опре-
деляют как логарифм активности ионов водорода, взятый с обратным знаком. Активность ионов равна их концентрации только в том теоретическом слу-
чае, когда в исследуемом растворе отсутствуют другие ионы. При добавле-
нии в раствор одних ионов одновременно в него добавляются и другие ионы, противоположного заряда. Взаимодействие между двумя видами ионов при-
водит к изменению активности обоих, хотя их концентрация не изменяется. Поэтому пересчет показателей рН, которые отражают активность ионов во-
дорода в концентрацию может производиться только приблизительно. В 1909 году Sorensen впервые использовал для
измерения рН электро-
химические электроды. Внутрижелудочную рН-метрию впервые провел McCledon в 1915 году. В нашей стране теорию внутрижелудочной рН-метрии, ее клиническое применение и изучение физиологических и патологических процессов кисло-
тообразовательной функции ЖКТ данным методом разработал Е.Ю. Линар 131
(1957 г.). Им же были созданы модели рН-зондов и первые регистрирующие приборы. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ
Исследованию кислотообразующей функции желудка (КФЖ) на про-
тяжении многих десятилетий посвящено много как научных, так и практиче-
ских работ. Развитие данной отрасли медицинской науки и практики всецело зависело от достижений в других областях — биохимии, технике, электрони-
ке и т.д., что и отразилось на технике, технологии и методологии исследова-
нии
КФЖ и резко повлияло на качество диагностики и принципы лечения больных с заболеваниями ЖКТ. Развитие шло как бы двумя путями — беззондовым и зондовым, от простого к более сложному. Беззондовые методы — определение кислотности с помощью ионооб-
менных смол (ацидотест, гастротест), метиленовой синью, по уропепсиноге-
ну и т.д. из-за низкой информативности и достоверности не нашли широкого применения в практике, хотя и освобождали пациента от многих психоэмо-
циональных нагрузок. Второй путь — зондовые, аспирационные, титрационные методы от одномоментного зондирования по Боасу-Эвальду до многофракционного зондирования. Но все виды аспирационно-титрационных методов зондиро-
вания не отражают действительного состояния кислотообразующей функции желудка пациента, хотя еще
и находят в различных модификациях практиче-
ское применение. Основным недостатком метода отсасывания и титрования желудочного содержимого является то, что исследование общей смеси секретов всех про-
дуцирующих желез желудка и примесей к ней соков верхних и нижних эта-
жей ЖКТ не позволяет проводить динамическое наблюдение за образовани-
ем соляной кислоты во время еды и введением физиологических раздражите-
лей или иной фармакологической пробы с целью выявления режима управ-
ляемости системой. Отсутствие возможности при титровании с помощью ин-
дикаторов определения соляной кислоты в случаях примеси к желудочному соку желчи и крови и неточность самого титрационного метода дает возмож-
ность определения свободной соляной кислоты лишь
в диапазоне с рН от 2,5 и меньше, а кислотность в диапазоне рН от 2,6 до 6,9 титрационным методом определяется как анацидность (табл. 3.1.). Фракционное аспирационно-титрационное исследование КФЖ в тече-
ние 2-х часов с интервалами по 15 минут с учетом базальной и стимулиро-
ванной фаз секреции позволяет определять объем желудочного сока, общую кислотность, свободную и связанную соляную кислоту. В оценке КФЖ с по-
мощью фракционного исследования ведущее значение имеет определение по специальным формулам часового дебита соляной кислоты в период базаль-
ной и стимулированной секреции (табл. 3.2.) (Ивакин В.Т., Кожемякин Л.А., 1974 г.). Однако основной недостаток титрационного метода — низкая чув-
132
ствительность реактивов-индикаторов и, следовательно, широкий диапазон недостоверных данных — снижают клиническую ценность данного метода. Не нашел широкого применения в клинической практике и метод ра-
диотелеметрической рН-метрии, разработанный в 50-х годах — метод доро-
гостоящий, не позволяющий иметь информацию о местонахождении, без четких временных данных при прохождении важных отделов ЖКТ и т
.д. В настоящее время самое достойное место в клинической практике ми-
ровой медицины занял метод электрометрической рН-метрии, позволяющий измерять активность ионов водорода по величине электродвижущей силы специальных электродов, помещенных в раствор. Этот метод дает возмож-
ность более физиологично изучать КФЖ как в аспирированном содержимом, так и внутри желудка, что позволило поднять изучение КФЖ на более высо-
кую ступень. Таблица 3.1. Взаимосвязь между титрационными единицами свободной соляной кислоты и величиной рН желудочного сока рН Свободная соля-
ная кислота Примечания
1 150 Гиперацидность: рН от 1 до 1,3, свободная соляная кислота от 60 до 150. 2 10 Нормоцидность: рН от 1,3 до 1,7, свободная соляная кислота от 20 до 60. 2,5 1,0 Гипоацидность: рН от 1,7 до 2,5, свободная соляная кислота от 1 до 20. 2.6 3 4 5 6 0 Анацидность, устанавливаемая титрационным методом. 7 8 9 0 Анацидность, устанавливаемая электромет-
рическим методом. 10 и т.д. 0 Щелочная среда. Таблица 3.2. Перевод величины рН желудочного сока в концентрацию Н
ионов (мэкв/л) (Ивашкин В.Т., Кожемякин Л.А., 1974 г.) рН H+, мэкв/л рН H+, мэкв/л рН H+, мэкв/л рН H+, мэкв/л 0,80 205 1,25 68 1,70 23 2.50 3,4 0,85 182 1,30 64 1,75 21 2,60 2,7 0,90 162 1,35 54 1,80 18 2,70 2,1 0,95 143 1,40 48 1,90 15 2,80 1,7 1,00 127 1,45 43 2,00 11 2,90 1,4 133
1,05 112 1,50 38 2,10 9.0 3,00 1,0 1,10 98 1,55 33 2,20 7,0 3,50 0,3 1,15 88 1,60 29 2,30 5,4 4,00 0,1 1,20 78 1,65 25 2,40 4,3 5,00 0,01 1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электрометрической рН-метрии (рН-зондирование) Для исследования кислотопродуцирующей функции желудка и ЖКТ ис-
пользуются рН-метрические зонды (далее просто рН-зонды), имеющие в сво-
ем составе измерительные электроды (сурьмяные, стеклянные и т.д.) и элек-
трод сравнения (хлорсеребряный или каломельный). Измерительный элек-
трод в паре с электродом сравнения преобразует физико-химический пара-
метр среды — активность ионов
водорода в диапазоне рН от 1,1 до 9,3 — в электрический сигнал. Впервые рН-зонды в 1957 г. были разработаны и созданы в ЛНИИЭКМ профессором Е. Ю. Линаром, а затем в различных модификациях НИИ "Ис-
ток", г. Фрязино. В настоящее время разработкой новых моделей зондов и их производством занимается ГНПП "Исток-Система", г. Фрязино. Однако до настоящего времени остается технически неразрешенным вопрос о создании зонда, дающего возможность получения данных о количестве желудочного сока, дебит-часовом его напряжении и его протеолитической активности, что требует введения в рН-зонд второго канала, достаточного для принудитель-
ного отсасывания содержимого желудка и других отделов ЖКТ, а в регист-
рирующей системе
дополнительных устройств по автоматическому проведе-
нию данной манипуляции. Для электрометрического определения рН необходимы
: 1. Активный электрод (измерительный электрод), т.е. электрод, обрати-
мый к ионам водорода измеряемой среды (сурьмяный, стеклянный и т.д.). 2. Вспомогательный электрод (электрод сравнения) — для измерения изменений потенциалов электродов, обратимых к ионам водорода (кало-
мельный, хлорсеребряный). З. Установка для измерения ЭДС и сравнения их с ЭДС вырабатывае-
мых рН-зондом
в стандартных буферных растворах. Количество измерительных электродов в одном рН-зонде может варьи-
роваться от 1 до 5 в зависимости от решаемых задач и объема необходимой информации. С помощью внутрижелудочной рН-метрии можно получить сведения об ощелачивающей функции антрального отдела желудка, а применение 3 — 5-ти электродного зонда позволяет получить информацию о наличии или
от-
сутствии дуодено-гастрального или гастроэзофагального рефлюксов. Кроме того, исследование КФЖ с использованием стимуляторов или блокаторов желудочной секреции позволяет более адекватно моделировать индивиду-
альную лечебную терапию. 134
Важным достоинством внутрижелудочной рН-метрии является воз-
можность индивидуального подбора лекарственных препаратов с учетом их уровней воздействия, эффективность которых оценивается по времени нача-
ла ответа рН (время от приема или введения препарата до начала повышения рН), максимальному уровню рН и рН (разница между максимальным и ис-
ходным уровнями рН). Кроме этого рассчитываются суммарные показатели — площадь и индекс ощелачивания. 1.3.1. Показания и противопоказания при зондировании Врачебная этика требует, чтобы проводимое исследование велось в ус-
ловиях, исключающх влияние отрицательных факторов извне на пациента, в первую очередь, нахождение при процедуре рядом других пациентов (кабин-
ная система). Противопоказания для проведения данной процедуры:
пороки сердца в стадии декомпенсации; аневризмы больших сосудов; заболевания ЦНС; артериальные гипертензии (высокого уровня и нестабильные); недавние кровотечения из ЖКТ; кахексия; острые заболевания ЖКТ. Контроль места расположения измерительных электродов рН-зонда можно осуществлять по характеру показаний измерительного устройства рН, с помощью УЗИ и рентгенологическим методом. Только при правильном расположении измерительных электродов рН-зонда в функциональных зонах ЖКТ можно получить достоверную информацию о функциональном состоя-
нии кислотообразующих желез корпуса желудка и кислотонейтрализующей способности
пилорических желез желудка. 1.3.2. рН - метрические зонды 1. Назначение рН-метрические зонды предназначены для измерения активности ио-
нов водорода (кислотности) содержимого верхних отделов желудочно-
кишечного тракта. Измерение производится в единицах водородного показа-
теля (рН) при помощи одного из выпускаемых ГНПП "Исток-Система" аци-
догастрометров (АГМ-01, "Гастротест", "Гастроскан-5" или "Гастроскан-
24"). Диапазон измерения кислотности для представляемых зондов от 1,3 до 9,3 рН с погрешностью не более чем 0,5 рН. 2. Устройство зондов 135
Зонд состоит из: • резиновой или полимерной трубки длиной около 1,5—2 м, обра-
зующей рабочую часть зонда, внутри которой проходят электрические про-
вода и может проходить канал для ввода лекарственных препаратов; • измерительных электродов, размещенных на трубке на некотором расстоянии друг от друга; • электрода сравнения, каломельного или хлорсеребряного; • разъема для подключения к
измерительному блоку ацидогастрометра. Электрод сравнения расположен либо на дистальном конце трубки, ли-
бо выполнен в виде выносной капсулы или диска, подсоединенных к отдель-
ному электродному проводу. При обследовании пациента выносной электрод сравнения размещается либо за щекой пациента (если он выполнен в виде выносной капсулы), либо закрепляется на коже в подключичной области или на запястье лейкопластырем или специальным ремнем (если он выполнен в виде выносного диска). Как правило, зонды с каломельным электродом сравнения изготавли-
ваются с использованием резиновой трубки оранжевого цвета, а зонды с хлорсеребряным электродом сравнения изготавливаются с использованием белой или прозрачной трубки из медицинского пластиката. Зонды с защеч-
ным электродом
сравнения изготавливаются с использованием тонкой пла-
стиковой трубки и используются только для измерения пристеночной ки-
слотности при проведении эндоскопических исследований желудочно-
кишечного тракта. Дистальный электрод сравнения Корпус этого электрода выполнен из керамики и закреплен на конце трубки. В торце корпуса имеется микроскопическое отверстие, которое не-
вооруженным глазом, как правило, не видно. Оно обеспечивает гальваниче-
скую связь между исследуемой средой и электродом. Внутри корпуса сформирована структура Hg/Hg2Cl2/KCI (у каломельных электродов) или Ag/AgCI/KCI (у хлорсеребряных электродов), включающая в себя, в частно-
сти, хлористый калий в виде влажной кашицеобразной соли. Такие электроы весьма чувствительны к ударам и вибрациям. Защечный электрод сравнения Защечный электрод сравнения устроен
практически так же, как и дис-
тальный. Разница лишь в том, что он не приклеен к концу трубки, как дис-
тальный, а закреплен на отдельном электродном проводе и во время обследо-
вания пациента размещается за его щекой. Накожный хлорсеребряный электрод сравнения Накожный хлорсеребряный электрод сравнения выполнен в виде дис-
ка
, закрепляемого во время обследования пациента на запястье или в под-
ключичной области пластырем или специальным ремнем. Электрод имеет резьбовой вывод, который служит для подсоединения к электродному прово-
ду зонда. Возможен вариант исполнения, когда электрод припаян к элек-
136
тродному проводу. В углублении электрода находится площадка из хлористого серебра, контакт которой с кожей осуществляется через поролоновую прокладку, про-
питанную электродной пастой. Измерительные электроды Измерительные электроды выполнены из сурьмы (довольно хрупкого металла) в виде цилиндрических колец или цилиндрических столбиков. 3. Виды исполнения рН-метрических зондов а) рН-метрические зонды для исследования базальной и стимулирован-
ной желудочной секреции (пероральные): Таблица 3.3. Зонды с каломельным дистальным электродом сравнения Расст. между измер. Электродами, мм Тип зонда Возраст пациента, лет Кол-во измер. электродов
1-м и 2-
м 2-м и 3-
м Наружн. диаметр, мм, не более 05 старше 15 5 50 120 7 03 старше 15 3 120 120 7 Д1 от 1 до 6 3 50 50 4 Д2 от 7 до 11 3 70 70 4 ДЗ от 12 до 14 3 90 90 4 Д4 старше 14 3 110 120 4 02 старше 15. 2 120 — 7 Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда 05 состав-
ляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с каломельным дистальным электродом срав-
нения используется, как правило, оранжевая резиновая трубка. Зонды
05, 03 и 02 снабжены каналом для введения лекарственных пре-
паратов. Таблица 3.4. Зонды с хлорсеребряным дистальным электродом сравнения Расст.между измер. элек-
тродами, мм Тип зонда Возраст пациен-
та,лет Кол-
во из-
мер. элек-
тродов
1-м и 2-м 2-м и 3-м На-
ружн. диаметр, мм, не более Г5П старше 15 5 50 120 5 ГЗ старше 15 3 120 120 4 ГЗ-Д1 от 1до 6 3 50 50 4 Г-Д2 от 7 до 11 3 70 70 4 ГЗ-ДЗ от 12 до 14 3 90 90 4 Г-Д4 старше 14 3 110 110 4 ГЗП старше 15 3 120 120 5 ГЗП-Д1 от 1 до 6 3 50 50 5 137
ГЗП-Д2 от 7 до 11 3 70 70 5 ГЗП-ДЗ от 12 до 14 3 90 90 5 ГЗП-Д4 старше 14 3 110 110 5 Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда Г5П со-
ставляет 120 мм, между 4 и 5—50мм. Таблица 3.5. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Расст.между из-
мер.электродам
и, мм Тип зонда Возраст пациента, Лет Кол-
во из-
мер. элект-
родов 1-м и 2-м 2-м и 3-м На-
ружн. диаметр, мм,не более ГА-5 старше 15 5 50 120 5 ГА-3 старше 15 3 120 120 5 ГА-3-Д1 от 1 до 6 3 50 50 5 ГА-3-Д2 от 7 до 11 3 70 70 5 ГА-З-ДЗ от 12 до 14 3 90 90 5 ГА-3-Д4 старше 14 3 110 110 5 Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда ГА-5 со-
ставляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с хлорсеребряным электродом сравнения ис-
пользуется, как правило, мягкая прозрачная пластиковая трубка. Возможен вариант изготовления из более жесткой белой рентгеноконтрастной трубки. Двухэлектродные зонды могут применяться с ацидогастрометрами "Га-
строскан-5", АГМ-01 и АГМИ-01 (терапевтическое исполнение). б) рН-метрические зонды для проведения пристеночной рН-метрии во время эндоскопического исследования верхних отделов желудочно-
кишечного тракта (вводятся через инструментальный канал эндоскопа): Таблица 3.6. Эндоскопические зонды Тип зонда Количество измеритель-
ных электро-
дов Наружный диа-
метр, мм, не более Э 1 2,4 Э1 1 1,8 Г1 1 2,4 Г1-Д 1 1,8 ГА-1 1 2,4 ГА1-Д 1 1,8 У зондов Э,
Э1, Г1, Г1-Д электрод сравнения выполнен в виде отдель-
ной капсулы, размещаемой во время исследования за щекой пациента, у зон-
138
дов
ГА-1 и ГА-Д1 — в виде накожно закрепляемого диска. Зонды, имеющие в своем обозначении букву Г, снабжены хлорсереб-
ряным электродом сравнения, Э и Э1— каломельным. в) рН-метрические зонды для суточного мониторирования (трансназаль-
ные) Таблица 3.7. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Расст.междуизм
ер. электродами, мм Тип зонда Возраст пациен-
та, лет Кол. из-
мер. элект-
родов 1-м и 2-м' 2-м и 3-м Наружн. диаметр, мм, не более ГА-24-3 старше 15 3 120 120 2 ГА-24-3-Д1 от 1 до 6 3 50 50 2 ГА-24-3-Д2 от 7 до 11 3 70 70 2 ГА-24-3-ДЗ от 12 до 14 3 90 90 2 ГА-24-3-Д4 старше 14 3 110 110 2 Все зонды допускают стерилизацию в 6% растворе перекиси водорода. 1.4. Регистрирующие приборы для рН-метрии Первые регистрирующие приборы со стрелочной индикацией для про-
ведения рН-метрии были разработаны под руководством профессора Линара Е.Ю. в лаборатории патофизиологии желудка ЛНИИЭКМ в 50-х годах, и в 70-х годах в НИИТОП в г. Горьком (Эрдели В.В.). Одновременно могли об-
следоваться до 7 пациентов». Временной интервал регистрации параметров КФЖ
задавался автоматически. В дальнейшем разработки регистрирующих рН-метрических приборов были начаты в НИИ "Исток" и продолжаются в ГНПП "Исток-Система" (г.Фрязино, Московской обл.). Здесь были разработаны и внедрены в клини-
ческую практику ацидогастрометры АГМ-01, "Гастротест". Приборы серти-
фицированы Минздравом и Госстандартом России. Наиболее совершенными приборами из выпускаемых в настоящее время ГНПП “Исток-Система” являются компьютерные системы "Гастро-
скан-5" и "Гастроскан-24". Системы разработаны совместно с Российским государственным медицинским университетом им. Н.И. Пирогова и предна-
значены для проведения гастроэнтерологического обследования одно-
временно до 5 пациентов путем перорального введения многодатчикового рН-метрического зонда и непрерывной регистрации изменения кислотности (величины рН). Диапазон измерения рН от 1,0 до 9,3. Врач может расположить датчики зонда в пищеводе, желудке и двена-
дцатиперстной кишке. Контроль местоположения датчиков можно проводить под рентгеном или с помощью УЗИ. Информация от датчиков непрерывно анализируется и отображается на дисплее в цифровом и графическом виде. На дисплее также даются подсказки медицинскому персоналу по методике 139
проводимого обследования и работе с компьютером. Обследование по стандартной методике, разработанной в РГМУ, зани-
мает 1,5 — 2 часа и состоит из исследования базальной и стимулированной секреции и проведения щелочных тестов на их фоне. После этого выдаются заключение о состоянии желудочно-кишечного тракта и рекомендации по медикаментозному лечению. Все результаты обследования сохраняются в ба
-
зе данных и могут быть распечатаны на принтере. Подводя итоги можно сделать следующие выводы: В настоящее время внутрижелудочная рН-метрия играет значительную роль в диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта, а в некоторых случаях является единственным способом измерения для получения исчер-
пывающей информации о состоянии ЖКТ пациента; Номенклатура предлагаемой техники для измерения рН постоянно уве-
личивается, что является одной из причин упрочнения позиций электромет-
рической рН-метрии в медицинской практике; Лидером по производству ацидогастрометров (рН-метров) в России яв-
ляется ГНПП ”Исток-Система”, наиболее совершенными, из выпускаемых ими в настоящее время, приборами являются “Гастроскан-5” и ”Гастроскан-
24” с компьютерной системой управления и программным обеспечением; При всех плюсах существующей ныне техники для измерения рН, про-
блема оснащения медицинских учреждений этими приборами стоит доста-
точно остро вследствие их дороговизны, поэтому возникла необходимость создания более дешевого прибора, не уступающего (по технико-
надежностным показателям) существующим аналогам. 2. Гемодиализатор Множество причин, например почечная инфекция или деструктивный процесс при заболеваниях типа сахарного диабета, может привести к нару-
шениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хрониче-
ской почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азотистых шлаков в крови, в первую очередь моче-
вины. В связи с этим для поддержание жизни больного применяют различ-
ные методы искусственного очищения крови, используя аппарат “искусст-
венная почка”. Методы искусственного очищения крови используются совсем недавно, но внедрение их в современную медицину имеет поистине революционное значение. В силу того, что большинство заболеваний, такие как хроническая почечная недостаточность (ХПН), острая почечная недостаточность (ОПН), своей причиной или
следствием имеют интоксикацию. Поэтому задача создание аппарата “искусственная почка” (гемодиализа-
тора) предназначенного для проведения как постоянных, так и периодиче-
ских замен функции почек в организме актуальна. Эта задача является актуальной и для нашей страны. Ведущее положение при разработке аппаратов “искусственная почка” 140
для проведения гемодиализа или любого другого экстракорпорального мето-
да лечения, занимает Германия; -
Наиболее активно разработками занимаются Франция, Россия, США, Швеция; -
В России наиболее активно занимаются данными разработками в Москве ЗАО “ВНИИМП – ВИТА”, Санкт-Петербурге. -
Ведущими зарубежными производителями аппаратов для проведе-
ния гемодиализа являются фирмы: “Fresenius”, “B. Braun” (Германия), “Gambro” (Швеция), “Bellco” (Италия), “Hospal” (Франция), “Althin” (США) и др. Для сбора и обработки информации поступающей с датчиков (преобра-
зователей) в настоящее время широко используются цифровые методы. Это-
му способствует следующие достоинства цифровых измерительных уст-
ройств: высокая разрешающая способность, открывающая широкие воз-
можности повышения точности; выдача результатов в кодированной цифровой форме для обра-
ботки и управления с применением ЭВМ; возможность передачи результатов измерений без потери ин-
формации; возможность использования новейших достижений техноло-
гии: интегральных схем печатного монтажа и др., что позволяет сохранить высокий уровень надежности при большой функциональной сложности, уменьшить габаритные размеры и стоимость аппаратуры; возможность автоматической калибровки и автоматического ве-
дения поправок с целью уменьшения систематической погрешности; высокое быстродействие, соответствующе современным скоро-
стям автоматической обработки результатов измерения; удобство отсчета и регистрации результатов измерений; возможность полной автоматизации процесса измерений высокая устойчивость к механическим и климатическим воздей-
ствиям. Выполнение цифровых устройств на современном уровне требует, как правило, использования микропроцессорных комплектов и интегральных схем. Использование ЭВМ в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей точности и эффективности. 2.1. Анализ проблем и задач при проектировании аппарата для проведения гемодиализа 2.1.1. Исследование объекта лечения ПОЧКИ - важнейшие парные органы выделения позвоночных животных и человека. Почки участвуют в водно-солевом гомеостазе, т. е. в поддержа-
141
нии постоянства концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды, постоянства объёма этих жидкостей, их ионного состава и кистлотно-щелочного равновесия. Через почки выводятся из организма ко-
нечные продукты азотистого обмена, чужеродные и токсические соединения, избыток органических и неорганических веществ. Почки участвуют в мета-
болизме углеводов и белков, в образовании биологически
активных веществ, регулирующих уровень артериального давления, скорость секреции альдо-
стерона надпочечниками и скорость образования эритроцитов. Основные функции почек (экскреторная, осморегулирующая, ионорегу-
лирующая и др.) обеспечиваются процессами, лежащими в основе мочеобра-
зования: ультрафильтрацией жидкости и растворённых веществ из крови в клубочках, обратным всасыванием частиц этих веществ в кровь и секрецией некоторых веществ из крови. У млекопитающих важнейшим из таких продуктов является мочевина – основной конечный азотсодержащий продукт распада белков (белкового ме-
таболизма). У птиц и рептилий основной конечный продукт белкового обме-
на – мочевая кислота, нерастворимое вещество, имеющее вид белой массы в экскрементах. У человека мочевая кислота тоже образуется и выводится поч-
ками (ее
соли называются уратами). Почки человека выделяют около 1–1,5 л мочи в сутки, хотя эта величина может сильно варьировать. На увеличение потребления воды почки отвечают увеличением продукции более разбавленной мочи, тем самым, поддерживая нормальное содержание воды в организме. Если потребление воды ограни-
чено, почки способствуют сохранению ее в организме, используя для образо-
вания мочи как можно меньше воды. Объем мочи может уменьшиться до 300 мл в день, а концентрация выводимых продуктов будет соответственно вы-
ше. Объем мочи регулируется антидиуретическим гормоном (АДГ), назы-
ваемым также вазопрессином. Этот гормон секретируется задней доли гипо-
физа (железы, расположенной в основании мозга). Если организму необхо-
димо сохранить воду, секреция
АДГ возрастает и объем мочи уменьшается. Наоборот, при избытке воды в организме АДГ не выделяется и суточный объем мочи может достигнуть 20 л. Выведение мочи, однако, не превышает 1 л в час. Образование мочи.
В почечном клубочке вода и растворенные в ней веще-
ства под действием артериального давления выходят из крови через стенки капилляров. Поры капилляров настолько малы, что задерживают кровяные клетки и белки. Следовательно, клубочек работает как фильтр, пропускаю-
щий жидкость без белков, но со всеми растворенными в ней веществами. Эта жидкость называется ультрафильтратом, клубочковым фильтратом, или пер-
вичной мочой; она подвергается обработке, проходя через остальные части нефрона. В человеческой почке объем ультрафильтрата составляет около 130 мл в минуту или 8 л в час. Поскольку общий объем крови у человека равен при-
близительно 5 литрам, очевидно, что большая часть ультрафильтрата должна всосаться обратно в кровь. Если предположить
, что в организме образуется 1 142
мл мочи в минуту, то оставшиеся 129 мл (больше 99%) воды из ультрафильт-
рата необходимо вернуть в кровоток, пока они не стали мочой и не выведены из организма. Ультрафильтрат содержит много ценных веществ (соли, глюкозу, ами-
нокислоты, витамины и проч.), которые организм не может терять в значи-
тельных количествах. Большинство из них подвергается
обратному всасыва-
нию (реабсорбции) по мере того, как фильтрат проходит по проксимальным канальцам нефрона. Глюкоза, например, реабсорбируется до тех пор, пока полностью не исчезнет из фильтрата, т.е. пока ее концентрация не прибли-
зится к нулю. Поскольку перенос глюкозы обратно в кровь, где ее концен-
трация выше, идет против градиента концентрации, процесс требует допол-
нительной энергии и называется активным транспортом. В результате обратного всасывания глюкозы и солей из ультрафильтрата концентрация растворенных в нем веществ падает. Кровь оказывается более концентрированным раствором, чем фильтрат, и «притягивает» воду из ка-
нальцев, т.е. вода пассивно следует за активно транспортируемыми солями. Это называется пассивным транспортом
. С помощью активного и пассивного транспорта 7/8 воды и растворенных в ней веществ из содержимого прокси-
мальных канальцев всасываются обратно, причем скорость уменьшения объ-
ема фильтрата достигает 1 л в час. Теперь во внутриканальцевой жидкости содержатся в основном «шлаки», такие, как мочевина, но процесс образова-
ния мочи еще не окончен. Следующий сегмент, петля Генле, отвечает за создание очень высоких концентраций солей и мочевины в фильтрате. В восходящем отделе петли происходит активный транспорт растворенных веществ, в первую очередь солей, в окружающую тканевую жидкость мозгового вещества, где в резуль-
тате создается высокая концентрация солей; благодаря этому из нисходящего колена петли (проницаемого для воды) часть воды
отсасывается и сразу по-
ступает в капилляры, тогда как соли постепенно диффундируют в него, дос-
тигая наибольшей концентрации в изгибе петли. Этот механизм называется противоточным концентрирующим механизмом. Затем фильтрат поступает в дистальные канальцы, где за счет активного транспорта в него могут перейти и другие вещества. Наконец, фильтрат попадает в собирательные трубочки. Здесь определяет-
ся, какое количество жидкости будет дополнительно выведено из фильтрата, а стало быть, и каков будет окончательный объем мочи, т.е. объем конечной, или вторичной, мочи. Данный этап регулируется наличием или отсутствием АДГ в крови. Собирательные трубочки находятся между многочисленными петлями Генле и идут параллельно им. Под действием АДГ
их стенки стано-
вятся проницаемыми для воды. Поскольку концентрация солей в петле Генле очень высока, а вода имеет тенденцию следовать за солями, она фактически вытягивается из собирательных трубочек, оставляя раствор с высокой кон-
центрацией солей, мочевины и других растворенных веществ. Этот раствор и есть конечная моча. Если АДГ в крови отсутствует, то собирательные тру-
бочки остаются малопроницаемыми для воды, вода из них не выходит, объем 143
мочи остается большим, и она оказывается разведенной. 2.1.2. Основные заболевания почек Почечные камни
– это отложения солей в почках, образующиеся при высокой концентрации солей в моче или повышении кислотности мочи, т.е. в условиях, способствующих кристаллизации солей. Основные типы камней – оксалаты, фосфаты либо ураты. Мелкие камни (песок) выходят через моче-
точники, почти не причиняя вреда. Более крупные могут застревать в моче-
точниках, что сопровождается мучительными болями (почечными колика-
ми). Еще более крупные камни остаются в лоханках, вызывая боль, инфици-
рование и нарушение функции почек. Потребление большого количества во-
ды снижает вероятность образования камней. Почечные камни удаляют хирургическим путем или методом литотрип-
сии (применением ультразвуковых волн для раздробления камней на мелкие фрагменты, которые могут быть выведены
через мочеточники). Этот метод не наносит ущерба мягким тканям почек. Почечная недостаточность и гемодиализ
. Множество причин, например почечная инфекция или деструктивный процесс при заболеваниях типа са-
харного диабета, может привести к нарушениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хронической почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азоти-
стых шлаков в крови, в первую очередь мочевины. Содержание мочевины в крови является важным
клиническим параметром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мочеви-
ны лежит в интервале 3,6 – 8,9 мМ. Страдающих хронической почечной недостаточностью удается лечить с помощью пересадки почки – сложного хирургического вмешательства, для которого необходимо иметь в распоряжении подходящий донорский матери-
ал. После операции проводится длительная иммунодепрессивная терапия, снижающая вероятность отторжения трансплантанта. Однако чаще больных с почечной недостаточностью поддерживают с помощью гемодиализа (искусственной почки). Его принцип заключается в том, что кровь из артерии (обычно из предплечья) проходит через аппарат искусственной почки и возвращается в вену больного. В приборе кровь про-
текает через микроскопические канальцы, окруженные тонкой пластиковой мембраной. С другой стороны мембраны находится диализная жидкость. Ес
-
ли бы вместо диализной жидкости канальцы окружала вода, то все раство-
ренные в крови вещества – соли, сахар и другие – вымывались бы из плазмы крови, т.е. выходили бы через мембрану в воду. Чтобы избежать этого, в ка-
честве диализной жидкости берут раствор, содержащий те же компоненты и в тех же концентрациях, что и плазма крови, однако вещества, подлежащие удалению из плазмы (например, мочевина), в диализной жидкости отсутст-
вуют. Во время гемодиализа эти вещества выходят из плазмы, так что в вену больного возвращается очищенная кровь. Гемодиализ можно проводить го-
144
дами. Регулярно посещая диализный центр, пациенты продолжают вести нормальную жизнь. 2.2. Методы искусственного очищения крови. Основные понятия Если сравнивать с гемотерапией, то методы искусственного очищения крови используются совсем недавно, но внедрение их в современную меди-
цину имеет поистине революционное значение. В силу того, что большинст-
во заболеваний своей причиной или следствием имеют интоксикацию (эндо-
генную или экзогенную), становится очевидным, какое широкое распростра-
нение данное направление терапии должно получить. Все лечебные мероприятия, конечной целью которых является прекра-
щение действия токсинов и их элиминация из организма, объединяются в группу методов активной экстракорпоральной детоксикации организма. Эти методы позволяют моделировать вне и внутри организма некоторые естественные процессы его очищения или являются существенным к ним до-
полнением, что в случае повреждения выделительных органов
и нарушения их детоксикационной функции дает возможность временного ее замещения. Эти методы по принципу их действия подразделяют на три группы: методы усиления естественных процессов очищения организма; методы искусственной детоксикации; методы антидотной (фармакологической) детоксикации. Далее будут рассмотрены методы искусственной детоксикации и, отчас-
ти, методы усиления естественных процессов очищения организма. Большинство методов искусственной детоксикации организма основано на использовании 3-х процессов: разведения, диализа и сорбции. Под разведением понимают процесс разбавления биологической жидко-
сти, в которой содержатся токсины, другой биологической жидкостью или искусственной средой
с целью снижения концентрации токсинов и элимина-
ции их из организма. Диализ известен "избирательная диффузия". Диффузия - это перемещение веществ от высокой концентрации к более низкой сквозь полупроницаемую мембрану. Избирательная диффузия - это диффузия, в процессе которой, в зависимости от мембраны, некоторые вещества будут проникать сквозь мем-
брану, а некоторые - нет. Под диализом подразумевается процесс удаления низкомолекулярных веществ, который основан на свойстве полупроницае-
мых мембран пропускать частицы и ионы размером до 500 А, и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы. В данном процессе работают два раствора - диализируемый и диализирующий (растворитель). Работы Томаса Грахама с растительным пергаментом свидетельствуют, что последний дей-
ствует как полупроводящая мембрана. Позже
Грахам назвал это открытие "диализом", что в переводе с греческого значит "проникновение". В качестве мембран обычно используют: естественные мембраны (серозные оболочки): искусственные мембраны (целлофан и др.). 145
Первоначально диализаторы состояли из целлюлозной трубки, оберну-
той вокруг небольшого барабана. Барабан частично погружался в ёмкость с диализатом. Диализат обычно состоял только из физиологического раствора поваренной соли. Когда барабан вращался, происходила диффузия веществ из крови в диализат и наоборот (рис. 3.1). Рис. 3.1. Диализатор из целлюлозной трубки. С развитием новых технологий диализаторы и аппаратура совершенст-
вуются. Начали использовать насосы для перфузии крови и диализата. Дав-
ление на входе в диализатор и его выходе контролируется и поддерживается с использованием микропроцессоров и датчиков. Для подсоединения крови и диализата к диализатору используют высокотехнологичные синтетические магистрали. Диализат - это одна из двух жидкостей
, участвующих в процессе диализа. Другой жидкостью является кровь. Термин "диализат" заимствован из физической химии и относится к жидкостям и растворам, проходящим сквозь полупроницаемую мембрану. Диализат состоит не только из физиологического раствора хлорида на-
трия, как это было прежде, но и бикарбоната или ацетата натрия, хлорида кальция, калия и магния. Может быть добавлена глюкоза. Главная функция диализата - удалять вредные вещества из крови и сохранять полезные в кро-
ви. Благодаря некоторым добавкам в диализат, можно контролировать уро-
вень электролитов и воды в плазме крови. Приборы, работающие с использованием мембран, называются диализа-
торами. Существует две разновидности диализаторов. Пластинчатые, с плос-
ко параллельным потоком и
диализаторы из полых волокон (капиллярные). Пластинчатые диализаторы Этот тип диализаторов назван пластинчатым по очевидной причине. Вме-
сто классической вращающейся барабанной системы здесь используется не-
сколько параллельных пластин с рёбрами и складками в них. Диализат течёт вдоль этих рёбер и складок. Полупроницаемая мембрана покоится между рёбрами и потоком крови. У таких диализаторов сопротивление потоку кро-
ви невелико. Некоторые преимущества
в использовании этого типа диализаторов давало их низкое сопротивление потоку крови. Благодаря этому факту была снижена необходимость в применении раствора, препятствующего свертыванию крови. Другое преимущество этих диализаторов в том, что их 146
уровень фильтрации легко контролируется и предсказуем. Ещё одним плю-
сом является то, что количество крови внутри диализатора сравнительно не-
велико. Диализатор тем лучше, чем меньшее объём его заполнения кровью. Окончательное преимущества пластинчатого диализатора - его дешевизна. Диализаторы из полых волокон Этот тип диализаторов наиболее распространен. В них используется противоток жидкости. Кровь и диализат текут в противоположных направле-
ниях. Метод параллельного потока не так эффективен, но более деликатен. Это позволяет применять его в педиатрической практике, а также для пер-
вичных пациентов. Диализаторы из полых волокон могут быть различных размеров. Они представляют собой
цилиндр, наполненный тысячами тонких волокон (рис. 3.2). Кровь, попадая в диализатор с одного конца, проходит сквозь эти тысячи волокон. В тоже время диализат подаётся с противопо-
ложного конца цилиндра навстречу крови. Этот метод сохраняет диализат свежим при постоянной циркуляции. Рис. 3.2. Капиллярный диализатор. Современные диализаторы оснащаются высокопроницаемой мембраной, поэтому их можно использовать для осуществления ультрафильтрации и ге-
мофильтрации (рис. 3.3). Рис. 3.3. Диализаторы (внешний вид). Под сорбцией имеется ввиду процесс поглощения молекул газов, паров и растворов поверхностью твердого тела или жидкости. Таким образом, в процессе сорбции задействовано два компонента - ад-
сорбент, т.е. поглощающее вещество, и адсорбтив (адсорбат), т.е. поглощае-
147
мое вещество. 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксикации Выше говорилось об основных группах методов экстракорпоральной де-
токсикации. В классификации А.М. Сазонова, Л.А. Эндера подробно рас-
сматриваются два из них. 1.Методы усиления естественных детоксикационных систем: а) инфузионная терапия; б) гемодилюция; в) форсированный диурез. 2.Методы искусственной детоксикации: а) гемодиализ; б) перитонеальный диализ; в) перекрестное кровообращение; г) обменное переливание крови; д) детоксикационная лимфорея и лимфосорбция; е) плазмаферез; ж) экстракорпоральное подключение гетерогенных органов; з) гемосорбция. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации На основании указанной выше классификации рассмотрим основные ме-
тоды экстракорпоральной детоксикации. Инфузионная терапия Задача инфузионных средств - связывание и нейтрализация токсических веществ. Одним из наиболее эффективных средств детоксикации является сывороточный альбумин, выпускаемый в виде 5, 10, 20% раствора. Он обла-
дает значительным онкотическим давлением и способствует переходу жид-
кости в сосудистое русло из внесосудистых пространств, что приводит к снижению концентрации токсических веществ и уменьшению отека тканей
. Также важным свойством альбумина является способность образовывать с токсическими веществами комплексные физиологически неактивные соеди-
нения. Гемодилюция Гемодилюция, или управляемое разбавление крови, улучшает реологи-
ческие свойства крови, способствует нормализации гемодинамики за счет увеличения объема циркулирующей плазмы, снижает травматизацию фор-
менных элементов крови, предупреждает агрегацию эритроцитов. Детокси-
кационный эффект гемодилюции обусловлен снижением концентрации ток-
сических веществ за счет их разведения, улучшением перфузии тканей и элиминации токсических веществ благодаря
интенсификации микроциркуля-
148
торных процессов. В качестве дилюентов используются плазмозамещающие растворы как с направленным детоксикационным, так и с гемодинамическим действием: альбумин, протеин, раствор Рингера, желатиноль, гемодез, реополиглюкин и т.д. Форсированный диурез Метод форсированного диуреза основан на усилении мочевыводящей функции почек и поддержании водно-электролитного баланса. Он включает три этапа: предварительной водной нагрузки: введения диу-
ретических веществ: коррекции электролитного состава. В сосудистое русло вводят кристаллоиды: 5% глюкозу. изотонический рас-
твор NaCl, раствор Рингера, солевые растворы, далее диуретические вещест-
ва: маннит из расчета 1 г
/кг, лазикс 40-60 мг. Такая методика позволяет добиться устойчивого диуреза в количестве 2,5-5,0 л в сутки, что в значительной степени способствует снижению инток-
сикации. Противопоказаниями к проведению форсированного диуреза являются внеклеточная дегидратация, застой в малом круге кровообращения, отек лег-
ких на фоне нарушения гемоциркуляции. Энтеросорбция Исследования показали, что при гнойно-воспалительных заболеваниях имеет место сброс бактериальных токсинов из крови в желудочно-кишечный тракт, что определяет целесообразность широкого применения энтеросорб-
ции как метода общей детоксикации организма. Энтеросорбция не оказывает побочного неблагоприятного влияния на иммунитет, а, напротив, способст-
вует устранению вторичного иммунодефицитного состояния, снижая имму-
нодепрессивное действие
эндогенных токсинов. В настоящее время при интенсивной терапии острой почечной недоста-
точности применяется метод энтеросорбции билигнином. Это препарат рас-
тительного происхождения, полученный из отходов древесины. При хорошей эвакуаторной функции желудочно-кишечного тракта его назначают по 5 г 3-4 раза в день. Суточная доза 15-20 г. Перитонеальный диализ Для уменьшения микробного загрязнения брюшной полости в ряде слу-
чаев требуется промывание ее диализирующим раствором. Используется несколько способов промывания брюшной полости. При проточном промывании диализирующий раствор с антибиотиками вливают непрерывно, со скоростью 60-80 капель в минуту. В первые сутки вводят 7-9 л раствора в один-два приводящих дренажа, установленных в верхних
этажах брюшной полости. Во вторые сутки вливают 6-7 л. Продолжительность про-
ведения диализа 3-5 сут. При фракционном методе в брюшную полость по верхним дренажам вводят 2-2,5 л жидкости, при этом нижние дренажи зажимаются на 2-3 ч. В течение суток процедуру повторяют 4-8 раз. Экспозиция должна быть доста-
точной для процесса обмена электролитами между кровью и диализирующим 149
раствором. Перекрестное кровообращение Впервые подключение кровообращения больного к кровообращению донора с целью очищения крови реципиента от токсических продуктов здо-
ровой печенью было применено для лечения печеночной комы (I.Y. Burnet, 1966). Однако при первых попытках использования перекрестного кровообра-
щения как у реципиентов, так и у доноров возникали тяжелые реакции, обу-
словленные иммунологической несовместимостью. В связи с этим было предложено использовать для перекрестного кровооб-
ращения при лечении острой печеночной недостаточности обезьян бабуинов, после предварительного отмывания их сосудистого русла от собственной крови. Клиническое исследование такого метода (Hume М., 1969) позволяет считать его достаточно физиологичным и в определенных условиях перспек-
тивным. Обменное переливание крови Благоприятное воздействие обменного переливания крови объясняется удалением из организма вместе с кровью циркулирующих в ней токсинов. Для полного замещения крови пациента кровью донора необходимо 10-
15 л крови. При массивном переливании донорской крови возможны ослож-
нения и в первую очередь связанные с развитием иммунологического кон-
фликта. Обменное замещение крови получило дальнейшее развитие в связи с расширением использования искусственного кровообращения и гипотермии. Сущность метода заключается в том, что после перфузионного охлаждения организма до +20...+22°С проводят полное одномоментное замещение всей массы циркулирующей крови. Метод получил название "total body washout". Преимущество описанного метода состоит в том, что при использовании минимального количества донорской крови можно полностью
удалить ток-
сины из циркулирующей крови. Использование искусственного кровообра-
щения оказывает гемодинамический, а гипотермия проявляет свой антиток-
сический эффект. Гемосорбция Гемосорбция (от гемо... и латинского sorbeo - поглощаю), метод внепочеч-
ного очищения крови от токсических веществ путем прокачивания ее через колонку с сорбентом (активный уголь, ионообменные смолы) вне организма. Применяют при острых отравлениях, поражениях печени с выраженной интоксикацией и др. Механизм действия гемосорбции принципиально отли-
чается от других методов лечения. Метод
основан на двух свойствах сорбента: адсорбции (фиксация молекулы вещества на поверхности поглотите-
ля); абсорбции (фиксация вещества в объеме поглотителя). Фиксация химических агентов происходит за счет образования кова-
лентных или ионных связей вещества с активными группами поглотителя. 150
Для гемосорбции используются сорбенты двух классов: неселективные, по-
глощающие из крови несколько веществ, и селективные, извлекающие веще-
ства определенной структуры. К первой группе относятся активированные угли, на поверхности кото-
рых собираются индолы, скатолы, гуанидиновые основания, жирные кисло-
ты, билирубин, органические кислоты и т.д. К селективным сорбентам относятся ионообменные смолы, способные
удалять из организма ионы калия, аммоний, гаптоглобин, билирубин. Гемосорбция проводится на специальных аппаратах АЭГ-01-4: УАГ-01; УЭГ-1, чаще в реанимационных палатах или отделениях по определённой методике. Общее понятие об этом методе состоит в введении в кровеносные сосуды специальных игл или сосудов, соединённых с аппаратом для гемо-
сорбции. Проведённые наблюдения московских, днепропетровских и мин-
ских учёных показали высокую эффективность гемосорбции. Наблюдения ряда авторов показывают, что применение сорбционной терапии, как одного из нелекарственных методов лечения, является перспек-
тивным направлением с целью стимуляции систем естественной защиты и физиологической регуляции организма. Плазмаферез Принцип плазмафереза заключается в заборе от больного определенного количества крови, выделение из него клеточных элементов (сепарация), за-
тем введение этих клеточных элементов обратно в кровь, но без плазмы. Ме-
тод позволяет в течение 1-3 часов заменить не менее одного-двух объемов плазмы (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Схема проведения плазмафереза (Plasma exchange). К помощи плазмафереза прибегают для уменьшения в плазме концен-
трации белков, липидов, гормонов, токсинов, антигенов, антител, иммунных комплексов. Показания к проведению плазмафереза постоянно увеличивают-
ся. В то же время эффективность метода доказана при нескольких синдромах или нозологических формах. Это синдром повышенной вязкости крови, син-
дром
Гудпасчера, тромбоцитопеническая пурпура, иммунокомплексные вас-
151
кулиты, быстропрогрессирующий гломерулонефрит. Механизм плазмафереза складывается из двух основных факторов: механическое удаление из организма вместе с плазмой токсических продуктов; возмещение утраченных или недостающих жизненных компонентов внутренней среды организма путем переливания свежей донорской плазмы. В настоящее время существует несколько методик проведения плазма-
фереза. 1.
Ручной метод. Суть его заключается в отстаивании крови во флаконах с гемоконсервантом с последующим удалением плазмы и возвращени-
ем эритроцитарной массы больному. 2.
Метод прерывного плазмафереза. Кровь больного собирается в пласти-
ковые контейнеры с гемоконсервантом далее центрифугируется, полу-
ченная плазма удаляется, а клеточные субстанции возвращаются в со-
судистое русло. 3.
В 60-е годы была создана модель фракционатора клеток, в котором пу-
тем центрифугирования кровь разделяется на плазму и клеточные эле-
менты. Процесс разделения крови осуществляется в специальном рото-
ре, из которого фракции крови удаляются с помощью роликовых насо-
сов. 4.
Особым методом плазмафереза является фильтрационный, при кото-
ром разделение крови происходит в процессе фильтрации через специ-
альные мембраны или волокнистые фильтры. Лимфорея и лимфосорбция Детоксикационная лимфорея - метод, предполагающий нарушение отве-
дения лимфы путем дренирования грудного лимфатического протока. При этом вместе с лимфой удаляются токсические метаболиты. Возмещение по-
тери лимфы, достигающее 5 л/сут, проводят путем внутривенного введения соответствующего количества плазмозамещающих растворов. Недостатком метода является то, что вместе с токсическими продуктами удаляются цен-
ные
для организма вещества: белки, жиры, электролиты, ферменты, лимфо-
циты. Исходя из этого разработан и внедрен в практику метод очищения лим-
фы путем сорбции. Гемодиализ (ГД) Принцип гемодиализа основан на явлении избирательной диффузии
че-
рез полупроницаемую мембрану, которая с одной стороны омывается кро-
вью, а с другой стороны - диализирующим раствором (ДР) (рис. 3.5). 152
Рис. 3.5. Диаграмма процесса гемодиализа. Под воздействием концентрационного градиента через полупроницае-
мую мембрану проходят низко- и среднемолекулярные вещества. Мембрана не пропускает высокомолекулярные вещества - белки. Ультрафильтрация (УФ) Перемещение воды из крови в диализат через полупроницаемую мем-
брану называется ультрафильтрацией (рис. 3.6). Рис. 3.6. Диаграмма процесса ультрафильтрации. Скорость ультрафильтрации определяется изменением давления в по-
лости диализатора за счет создания вакуума с одной стороны диализирую-
щей мембраны. Скорость ультрафильтрации подбирается индивидуально и может составлять от 100 до 300 мл/ч при
расходе диализата до 300-500 мл/мин. Процедура проводится без использования замещающей жидкости. Гемофильтрация (ГФ) Гемофильтрация (греч. haima кровь + лат. filtratio процеживание) - метод очищения крови посредством ее фильтрации через искусственные высоко-
проницаемые мембраны с одновременным замещением удаляемого фильтра-
та специальным раствором (рис. 3.7). В отличие от гемодиализа очищение крови при гемофильтрации осуществляется благодаря конвекционному пе-
153
ремещению
растворенных в плазме веществ через полупроницаемую мем-
брану под действием трансмембранного давления, подобно тому, как это происходит в почечных клубочках. Гемофильтрация применяется при лече-
нии тяжелой ОПН и ХПН, выраженной гипергидратации, некоторых отрав-
лений. Интермиттирующая гемофильтрация - основной способ применения этого метода в условиях стационара. Рис. 3.7. Диаграмма процесса гемофильтрации. Постоянную гемофильтрацию предпочтительно проводить у неподвиж-
ных больных с полиорганной патологией, составляющих контингент реани-
мационных отделений, а также при массовом поражении, когда возрастает потребность в стационарном оборудовании, или на этапе неспециализиро-
ванной больничной помощи. Противопоказаниями для применения гемофильтрации являются некор-
ригируемая артериальная гипотензия, продолжающееся кровотечение, ге-
моррагический инсульт. По молекулярному спектру
удаляемых веществ гемофильтрация близка к естественному почечному очищению. В отличие от гемодиализа при гемо-
фильтрации хорошо удаляются уремические токсины малой и средней моле-
кулярной массы. Кроме того, с помощью гемофильтрации могут быть удале-
ны так называемые маленькие белки (например, бета2-микроглобулин, миог-
лобин), некоторые ферменты, бактериальные эндотоксины. При гемофильт-
рации эффективнее удаляются вещества, распределяющиеся преимущест-
венно во внеклеточной жидкости и хорошо проходящие через мембрану, в меньшей степени нарушается осмотический баланс, поэтому гемофильтрация реже сопровождается опасными осложнениями со стороны органов кровооб-
ращения и центральной нервной системы. Для качества очищения опреде-
ляющее значение имеет объем фильтрации, который в оптимальных случаях должен быть не
менее 60-80% от массы тела пациента. Аппараты для гемофильтрации - гемопроцессоры оснащены насосами 154
для перфузии крови, удаления отфильтрованной жидкости (ультрафильтрата) и введения замещающего раствора, термостатом для подогревания заме-
щающего раствора, электрическими весами для определения количества фильтрата и замещающего растворы, а также электронным устройством (микропроцессором), обеспечивающим автоматическое управление и кон-
троль за ходом процедуры. Созданы аппараты, способные изготавливать вы-
сококачественный замещающий раствор, а также упрощенные портативные модели. Конструкцией аппарата предусмотрена защита пациента от перегре-
того раствора, воздушной эмболии, утечки крови в фильтрат, жидкостного дисбаланса. Для проведения гемофильтрации используют функциональную кровать и прикроватную систему взвешивания, что отвечает требованиям безопасности пациента. В стандартный набор для постоянной гемофильтра-
ции входят маленький гемофильтр, кровяные линии, линии для замещающе-
го
раствора и фильтрата, контейнер и мешок-накопитель для фильтрата, со-
судистые катетеры и переходные краны к ним. Постоянную гемофильтрацию можно проводить с помощью насоса кро-
ви и спонтанно за счет артериального давления крови пациента. В связи с малой скоростью фильтрации процедуру проводят длительное время, иногда несколько суток или недель. Замещающие растворы по составу близки к без-
белковой части плазмы крови, стерильны, апирогенны и способны исправ-
лять нарушения электролитного и кислотно-основного гомеостаза. Приме-
няют 12-14 видов растворов, которые различаются по содержанию важней-
ших катионов, анионов, глюкозы, буферным свойствам, осмотическому дав-
лению. Растворы расфасованы по 4,5-5 кг в мягкие пластиковые контейнеры. Аппарат присоединяют к
пациенту с помощью наружного артериове-
нозного шунта или артериовенозной фистулы (в последнем случае сосуд пунктируют специальными иглами), реже введением катетеров в крупные со-
суды посредством чрескожной пункции. Для предупреждения свертывания крови в аппарате в линию перед фильтром вводят гепарин (фракционно или постоянно), иногда на выходе из аппарата его нейтрализуют раствором про-
тамина сульфата. Эффективность гемофильтрации оценивают, прежде всего, клинически по обратному развитию симптомов уремической интоксикации, по изменению массы тела, а также биохимическим показателям (содержание в крови мочевины, креатинина, мочевой кислоты, гуанидина и др.). Осложнения при гемофильтрации могут быть связаны с экстракорпо-
ральной перфузией (кровотечение, нарушение гемостаза, эмболия), вмеша-
тельством в водно
-электролитный и кислотно-основный баланс (гипергидра-
тация и дегидратация, гипокалиемия, метаболический алкалоз). Могут быть связаны со стрессом и неселективным очищением (гипогликемия, гипофос-
фатемия, потеря аминокислот), нарушением теплового баланса (озноб повы-
шение температуры тела), инокуляцией возбудителей инфекции (сепсис, ге-
патит, сифилис, ВИЧ-инфекция). При высокопоточной гемофильтрации мо-
гут наблюдаться артериальная гипотензия и сердечная слабость, обусловлен-
ные гипокалиемией и гипомагниемией, в связи с чем показаны периодиче-
ское введение панангина. При гемофильтрации предусмотрительно увеличи-
155
вают дозу лекарственных препаратов, количество вводимой глюкозы, амино-
кислот, уменьшают дозу инсулина. Гемодиафильтрация (ГДФ) При гемодиафильтрации одновременно происходит два процесса: 1.
Гемодиализ - диффузия веществ через полупроницаемую мембрану диализатора между кровью пациента и диализирующей жидкостью; 2.
Гемофильтрация - конвективный транспорт воды и растворённых в ней веществ через полупроницаемую мембрану гемофильтра. Диализаторы применяемые для гемодиафильтрации называются гемо-
диафильтры и имеют хорошие показатели как по диффузии, так и по ультра-
фильтрации. При проведении стандартной гемодиафильтрации используется бикар-
бонатный концентрат для получения диализирующей жидкости, а для заме-
щения ультрафильтрата используются специальные
растворы для гемо-
фильтрации. Обычно во время сеанса замещаются от 9 до 20 литров жидко-
сти. Существует разновидности гемодиафильтрации: стандартная гемодиа-
фильтрация и гемодиафильтрация ON-Line. Во время гемодиафильтрации ON-Line замещающая жидкость готовится непосредственно из бикарбонатно-
го диализата и объём замещения зависит от показаний, от скорости кровото-
ка, типа диализного фильтра и может достигать 60-80 литров за процедуру. При скорости потока крови от 300 до 400 мл/мин. Средний процент сниже-
ния концентрации за процедуру для мочевины, креатинина, фосфата, бета2-
микроглобулина был соответственно: 78.1 ± 4.0 %, 72.0 ± 4.3 %, 59.3 ± 7.7 %, и 70.2 ± 9.5 %. Различают ON-Line ГДФ с предилюцией и постдилюцией, при которых за-
мещающая жидкость вводится в кровь непосредственно до и после диа-
фильтра (диализатора) соответственно
(рис. 3.8). Рис. 3.8. Диаграмма процесса ГДФ с предилюцией и постдилюцией. 156
Таким образом, медицина располагает значительным числом методов детоксикации организма. Кроме того, постоянно разрабатываются новые способы. Дальнейшие исследования покажут, какие методы наиболее эффек-
тивны. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиализа В 1944 году голландским врачом Колфом впервые был применен аппа-
рат для временного замещения выделительной функции почек так называе-
мая "искусственная почка" или гемодиализатор (ГДр) (рис. 3.9). Рис. 3.9. Принцип работы аппарата "искусственная почка". Его в основном используют при почечной недостаточности для освобо-
ждения крови от продуктов обмена и вообще, тех веществ, которым не место в организме - это может быть и лишняя вода. Для работы искусственной поч-
ки нужен катетер, насос и главная деталь полупроницаемая мембрана. Необ-
ходим
специальный гемодиализирующий раствор, который содержит основ-
ные электролиты крови и глюкозу, в близких к нормальной крови концен-
трациях, но не содержит вещества подлежащих удалению. Таким образом, элементы крови через мембрану не проходят в отличие от вредных сульфа-
тов, фосфатов мочевины. Учитывая общие закономерности построения аппаратов для внепочеч-
ного очищения крови, все существующие ГДр можно классифицировать по режиму транспортирования управляющей среды на аппараты со сливом и аппараты с рециркуляцией диализата или диализирующего раствора (ДР). 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга Исследования последних лет убедительно показали, что длительная выжи-
ваемость на хроническом гемодиализе совершенно не связана с биосовмес-
157
тимостью диализных мембран, типом диализного буфера и элиминацией пресловутых "средних" молекул, среди которых безуспешно искали несуще-
ствующий уремический токсин. Поэтому в мировой практике замещения функции почек оставлены фильтрационные способы детоксикации крови, ко-
торые не показали никаких преимуществ перед гемодиализом. В настоящее время длительную выживаемость на хроническом гемодиализе связывают с непростыми, но
понятными факторами: диализная доза (Kt/V), безопасность гемодиализа, питание, эритропоэтин. До настоящего времени проблема принципиального повышения качества гемодиализа не могла быть решена по причине отсутствия инструментов для фактического контроля за важнейшими параметрами гемодиализа, такими как доза гемодиализа, время, скорость перфузии крови, ультрафильтрация. Все эти задачи решались путем разнообразных косвенных расчетов и профи-
лирования. Комплекс диализного мониторинга исключительно состоял из наблюдения за чисто физическими параметрами. В настоящее время пробле-
му адекватности гемодиализа, аналитического определения гемодиализной прескрипции и сбалансированности ультрафильтрации решает гемодиализ-
ный биомониторинг, основанный на использовании сенсоров. Дело в том, что изменение биохимического состава отработанного диализата, как в зер-
кале отражает изменение биохимического
состава крови. Поэтому по данным сенсора мочевины на сливе из аппарата искусственная почка оказалось впол-
не возможным осуществлять мониторинг таких фундаментальных показате-
лей гемодиализа, как Kt/V, РСК (степень катаболизма белка), степень сниже-
ния уровня мочевины. Все эти параметры связаны практически линейной за-
висимостью и легко поддаются программированию. Компьютеризированный сенсор мочевины дает
возможность интегрально с учетом всех погрешностей фактически в каждой конкретной ситуации определять диализную дозу и время. Волюметрический контроль ультрафильтрации не решил проблему адекватной гемодиализной дегидратации, хотя сделал ее управляемой. Ос-
новным недостатком всех ранее существовавших способов профилирования ультрафильтрации было отсутствие данных о фактическом изменении объе-
ма водных пространств организма. Сегодня эту проблему решает сенсор изменения объема крови. Сенсор не-
инвазивно устанавливается на входе крови в диализатор и по гемоконцентра-
ции рассчитывает фактическое изменение объема крови в процентах от ис-
ходного значения и, равным образом, в динамике показывает темп восста-
новления объема крови после отключения ультрафильтрации. И сенсор мо-
чевины и сенсор
объема крови выдают информацию в цифровом и графиче-
ском виде и позволяет управлять работой аппарата искусственная почка по принципу обратной связи. Почти все гемодиализные компании уже деклари-
ровали инкорпорацию биосенсоров в основные блоки диализной аппаратуры. Таким образом, в настоящее время происходит качественный прогресс в по-
чечной технологии. Надо полагать, что число параметров, которые контро-
лируются биосенсорами, будет увеличиваться. Вероятно, это будет глюкоза, калий, рН и т. п. Итак, будущее гемодиализа - биомониторинг. 158
2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств
В последнее десятилетие возникли новые контакты на первый взгляд между очень далекими областями: электроникой и биохимией. Их взаимо-
действие создало новую сферу – биоэлектронику. Первым шагом в этой об-
ласти было возникновение новых устройств для анализа и переработки, по-
лучивших название биосенсоров (БС). БС рассматриваются как первое поко-
ление биоэлектронных устройств
. Биосенсоры – это аналитические устройства, использующие биологиче-
ские материалы для распознавания определенных молекул и выдающие ин-
формацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала. Идея создания ферментного электрода принадлежит Кларку и Лайону, а первая публикация в 1967г. и название “ферментный электрод” - Хиксу и Апдайку. В этой работе на поверхность амперометрического электрода Кларка была нанесена иммобилизованная глюкозооксидаза, с помощью ко-
торой по изменению концентрации кислорода измеряли концентрацию глю-
козы. Первый потенциометрический ферментный электрод для определения мочевины описан Монтальво и Гильбо в 1968 г. Под термином биосенсор (БС) следует понимать устройство, в котором чувствительный слой, содержащий миологический материал: ферменты, тка-
ни, бактерии, дрожжи
, антигены/антитела, липосомы и др., непосредственно реагирующий на присутствие определенного компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктив-
но БС представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, - биохимического и физического, на-
ходящихся в тесном контакте друг с другом. На рис. 3.10 приведена общая схема такого устройства. Биохимический преобразователь, или биотранс-
дьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, пре-
образуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических свя-
зях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преоб-
разователь преобразует концентрационный сигнал в электрический. В дан-
ном случае реализуется принципиально новый способ получения информа-
ции о химическом составе
раствора. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, на прибегая ни к каким до-
полнительным операциям, связанным с использованием других реагентов и т.д. (отсюда и название – без реагентные методы анализа). Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров: электро-
химические
, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические и т.п. На рис. 3.11 приведен перечень преобразователей используемых в БС. 159
Рис. 3.10. Схема биохимического сенсора: 1-исследуемый раствор, 2-
корпус БС, 3-полупроницаемая мембрана (для механического удержания биослоя), 4-слой биоматериала, 5-физический преобразователь (электрод и т.д.), 6-усилитель сигнала, 7-индикатор. В настоящее время наиболее распространены электрохимические преобра-
зователи. Различают потенцио- и амперометрические БС, биосенсоры опто-
волоконные, на полевых транзисторах и др. По названию преобразователя можно
сделать вывод о характере физического свойства, которое измеряется аппаратно с использованием микропроцессорной техники, что позволяет сделать устройство достаточно компактным. Функционально, таким образом, биосенсоры сопоставлены с датчиками живого организма – биорецепторами, способные преобразовывать все типы сигналов в электрические. 160
Рис. 3.11. Типы чувствительных элементов распознавания (биослой) и физических преобразователей в сенсорах. Принцип работы БС достаточно прост. Определяемое вещество диффун-
дирует через полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в котором и протекает ферментативная реакция по схеме, указанной на рис. 3.10. Поскольку в данном случае продукт ферментативной реакции опреде-
ляется с помощью электрода, на поверхности которого закреплен фермент, то такое устройство называют ферментным электродом. Таким образом, оп-
ределения “биосенсор” и “ферментный электрод” в данном случае синонимы. Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от при-
роды фермента, типа его каталитического действия. Многие ферменты сей-
час доступны, их чистые препараты включены в каталоги ряда
фирм-
производителей. Важно отметить, что при конструировании БС увеличение продолжительности действия фермента становиться основной задачей. Дело в том, что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течении отно-
сительно короткого времени. Поэтому была разработана операция так назы-
ваемой иммобилизации фермента. В ходе иммобилизации с помощью специ-
альных реагентов фермент “закрепляют” либо на поверхности адсорбентов, например силикагеля, угля или целлюлозы, либо вводят в пленку пористого полимера, либо ковалентно, то есть с помощью химических связей, “приши-
вают” к какой-либо подложке. При этом фермент закрепляется, перестает быть подвижным, не вымывается из биослоя, а его каталитическое действие сохраняется. На рис. 3.12 дано схематическое изображение методов
иммоби-
161
лизации ферментов в БС. Рис. 3.12. Схематическое изображение методов иммобилизации фермен-
тов в БС: а – ковалентное связывание с поверхностью электрода, б – сши-
вание, в – адсорбция на носителе (электроде), г – ковалентное связывание и пришивание к подложке (электроду), д – захват носителем (в пленке по-
лимера). Недостатком БС является трудность их изготовления. Но успехи в области развития средств микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструк-
ций БС к новым решениям. Оказалось перспективным использовать так на-
зываемую планарную технологию (фотолитографию, полупроводниковую технику покрытия и т.д.), по которой можно изготовить биочип, объединяю-
щий сенсорную систему, трансдьюсер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор для измерения аналитического сигнала и расчета
ре-
зультатов анализа. “Молекулярный дизайн” при конструировании БС будущего может соста-
вить реальную конкуренцию их объемному варианту. Таблица 3.8. Примеры ферментных электродов и область их применения Фер-
мент
Индикаторный
электрод
Определяемое
вещество
Область применения
Уреаза Аммонийный, Газочувстви-
тельный СО
2
и NH
3
Мочевина (субстрат), Фториды, тяжелые металлы Клиническая диагностика, экология Пеницилли-
наза рН-метрический Пенициллин Фармацевтическая про-
мышленность Оксидаза L- аминокислот Аммонийный L-аминокислоты: цистеин, лейцин, тирозин, триптофан, фенилаланин, метионин и другие Пищевая промышленность, производство биопрепаратов, санитарная экспертиза и дру-
гие 162
Фер-
мент
Индикаторный
электрод
Определяемое
вещество
Область применения
Оксидаза D-
аминокислот Аммонийный, Газочувстви-
тельный NH
3
D-аминокислоты: фенилаланин, тирозин, метионин, ,лей-цин, триптофан и другие Клинический анализ, про-
изводство биохимических препаратов, пищевая про-
мышленность Моноамин-
оксидаза Газочувстви-
тельный NH
3
Биогенные амины: се-
ротонин, тирамин, адре-
налин, триптамин, норад-
реналин, бензиламин; про-изводные бензимида-
золов, гидразина, акриди-
ны, атропин, метацин и другие Клиническая диагностика, фармацевтическая и пищевая промышленность, санэкспер-
тиза, сельское хозяйство Холинэстера-
зы: ацетилхо-
линэстераза, бутирихолин-
эстераза рН-метричес-
кий, редокс-
метрические: пла-
тиновые, стеклян-
ный ЭО-01, газо-
чувствитель-ный CO
2
Cубстраты - холиновые и тиохолиновые эфиры уксусной про-пионовой и масляной кислот; атро-
пин, эзерин, прозерин, пестициды антихолинэ-
стеразного действия, ио-
ны Ме Химико-токсикологический анализ, сельское хозяйство, ветеринария Аспарагиназа Аммонийный Аспарагин Медицина, производство биопрепаратов, пищевая пром-ть Глюкозокси-
даза Иодидный, рН-
метрический Глюкоза Медицина Нитритре-
дуктаза + ме-
тилвиологен Аммонийный Нитриты Сельское хозяйство, вете-
ринария, токсикология, сан-
экспертиза, экология Нитратре-
дуктаза Газочувстви-
тельный NH
3
Нитраты Сельское хозяйство, вете-
ринария, токсикология, сан-
экспертиза, экология Креатиназа Газочувстви-
тельный NH
3
Креатинин Клинический анализ, про-
изводство биохимпрепаратов 2.5.2. Типы биосенсоров мочевины
Содержание мочевины в крови является важным клиническим парамет-
ром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мо-
чевины (СО(NH
2
)
2
) лежит в интервале 3,6–8,9 мМ, что составляет 3,6–8,9 ммоль/л; где М – молярная концентрация. В источнике представлена табли-
ца мембранных биосенсоров мочевины. Во всех известных биосенсорах мочевины использована реакция гидроли-
за, катализируемая высокоспецифичным ферментом – уреазой: СО(NH
2
)
2
+ 2H
2
O → NH
3
+ NH
4
+
+ HCO
3
(3.1) Уреаза — растительный ферментный препарат, не уступающий лучшим зарубежным аналогам. Диагностическое средство, предназначенное для сни-
163
жения содержания мочевины в крови и определения мочевины в биологиче-
ских жидкостях. Уреаза иммобилизованная — иммобилизованная форма фермента для ис-
пользования ее в системе ферментного электрода (биосенсора) для аналити-
ческих и диагностических целей, а также для определения и разложения мо-
чевины в биологических жидкостях и применения в аппарате «искусственная почка». Некоторые из
перечисленных в табл. 3.8 ферментных электродов вы-
пускаются для продажи. Так, фирма Owens - Illinois (Kimble) создала прибор для определения мочевины на основе иммобилизованной уреазы и аммиач-
ного газочувствительного электрода. По приобретенному патенту фирма Technicon продает этот прибор в Европе. Непосредственно ферментные элек-
троды для определения мочевины, креатинина, аминокислот, спиртов, глю-
козы и некоторых других веществ
изготовляет по специальному запросу фирма Universal Sensors (New Orlean, USA). У нас в стране ферментные элек-
троды для оценки общей токсичности воды и определения фосфорорганиче-
ских пестицидов и других веществ антихолинэстеразного действия изготов-
ляются по предварительным заказам на экологическом факультете Казанско-
го государственного университета. Амперометрические биосенсоры: В амперометрических ферментных электродах чаще всего индикатор-
ным электродом является платиновый электрод. Селективность амперомет-
рического биосенсора (АБС) определяется природой материала электрода, точнее, его поверхности, а следовательно, и величиной потенциала, при ко-
тором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента. Чувствительность АБС составляет порядка 10
-9
М. Несмотря на высокую чувствительность АБС обладают относительно большим временем измерения 2-3 мин. Потенциометрические биосенсоры:
В потенциометрических ферментных (биоспецифических) электродах индикаторными электродами служат обычно ионоселективные или (реже) редоксметрические электроды. Как уже говорилось выше, выбранный инди-
каторный электрод должен обладать избирательностью к ионам продукта или субстрата ферментативной реакции. Кроме того, он должен иметь низкий предел обнаружения потенциалопределяющего иона, проявлять стабильность в работе и быть нечувствительным к слою иммобилизованного фермента (биопрепарата). В потенциометрических индикаторным электродом является стеклян-
ный и другие рН - метрические, а также газочувствительные электроды. Кроме того, применяются и другие ионоселективные электроды (ИСЭ): ам-
монийный, нитратный, холиновый и т.д. Стеклянный рН-метрический элек-
трод не случайно нашел широкое применение в конструкциях ферментных и других биосенсоров. Его уникальная избирательность к ионам Н
+
и ОН
-
, 164
низкий предел обнаружения, высокая стабильность в работе, возможность в некоторых случаях стерилизовать поверхность электрода сделали этот ИСЭ незаменимым для самых различных исследований, в том числе биологиче-
ских объектов. С позиции сочетания с ферментными препаратами рН-
метрический электрод почти универсален, т.к. в большинстве ферментатив-
ных реакций происходит изменение рН. рН – чувствительные ионоселективные электроды: Потенциометрические биосенсоры (ПБС) основаны на ионоселективных электродах, дающих селективный отклик на присутствие определяемых ио-
нов или молекул вещества в растворах. Аналитическим сигналом в них явля-
ется потенциал. И, что самое главное они функционируют обратимо, и при измерении потенциала на электроде не нарушается электрохимическое рав-
новесия электрод (биосенсор) – раствор, чего нельзя сказать об амперомет-
рических биосенсорах, отклик которых определяется электролизом, т.е. по-
треблением вещества. Однако расход определяемого вещества за время фор-
мирования отклика настолько ничтожен, что не вызывает изменения концен-
трации определяемого компонента при повторных измерениях. ПБС менее чувствительны, чем АБС. Высокой селективностью обладают уреазные сен-
соры на основе газовых аммиачных
электродов. Преобразователь мочевины, подходящий для быстрого, непрерывного определения мочевины в жидкостях, был разработан Guilbault G.G. и Montalvo J.G. Преобразователь мочевины называется электродом мочевины потому, что сделан на полимеризованной желатиновой мембране иммобилизирован-
ного фермента на стеклянном электроде, который определяет ионы аммония. Для мочевины специфично получение иммобилизации фермент (уреазы) в слое акриламидного геля толщиной 60-350 μм на поверхности стеклянного электрода. Когда электрод мочевины помещен в контакт с раствором, кото-
рый содержит мочевину, субстрат распространяется в слой геля с иммобили-
зированным ферментом. Фермент катализирует (ускоряет) разложение моче-
вины до иона аммония как показано в уравнении: СО(NH
2
)
2
+ H
2
O → 2NH
4
+
+ CO
2
(3.2) Ион аммония, произведенный на поверхности электрода определяется рН – чувствительным электродом, который измеряет активность этого однова-
лентного катиона способом, аналогичным pH определению со стеклянным электродом. Потенциал этого электрода измерен. Время для 98 % установившегося от-
вета равняется 25 – 60 сек, в зависимости от толщины мембраны геля. Для проведения измерения достаточно 175 мг исследуемого раствора. Кривая ответа, т.е. зависимость выходного напряжения с датчика от концентрации мочевины, или типичная кривая калибровки представлена на 165
рН – чувствительные полевые транзисторы
:
Довольно широкое распространение получили миниатюрные устройст-
ва, основанные на полевых транзисторах. В них металлический контакт за-
твора транзистора заменен химически чувствительным слоем и электродом сравнения. В этом случае затвор представляет собой металлический слой, покрытый чувствительным материалом. Взаимодействие определяемого компонента с материалом затвора вызы-
вает изменение электрического поля в области затвора
и, следовательно, по-
рогового потенциала и тока в транзисторе, что и обуславливает аналитиче-
ский сигнал. Чувствительность рН – чувствительных полевых транзисторов составляет порядка 10
-4
– 10
-5
М. U, мВ 180 150 120 90 60 30 357 35,7 3,57 0,35 0,035 К
М
, моль/л Рис. 3.13. Кривая калибровки. Существуют устройства состоящие из фоточувствительной мембраны, которая содержит иммобилизованную уреазу, катализирующая гидролиз мо-
чевины до аммиака и углекислоты (см. реакция гидролиза ). В таких устрой-
ствах регистрация потенциала светочувствительной мембраны осуществля-
ется с помощью полевого транзистора, такой подход значительно миниатю-
ризирует биосенсор (рис. 3.14). Время измерения при использовании поле
-
вых транзисторов составляет около 5 мин. Появляющиеся в результате биохимической реакции ионы аммония влияют на амплитуду фотоответа сенсора, что составляет основу определе-
ния мочевины. Калибровочная зависимость такого биосенсора представлена на рис. 3.15.
Свет 1 6 2 5 166
Рис. 3.14. Схематическое представление сенсора на основе транзистора. 1-электрод сравнения, 2-фоточувствительная мембрана с ионофором, 3-
сденозащитный экран, 4-внупренний электролит, 5-герметизирующее коль-
цо, 6-внешний раствор содержащий измеряемое соединение.
U, мВ 35 30 25 20 15 10 5 0 7 6 5 4 3 2 1 lg[(NH
2
)
2
CO] Рис. 3.15. Зависимость величины фотоответов биосенсора от концентра-
ции мочевины. Удобство в использовании биосенсоров заключается в том, что их эле-
менты: чувствительная мембрана, пленка с иммобилизованным ферментом и пр.; являются легко заменяемыми компонентами, в следствии чего возможна их оперативная замена и быстрая настройка для анализа широкого спектра биологически активных соединений. 3. Газовый анализатор 3.1. Исследование физико-химического состава содержимого брюшной полости В последнее время повысился интерес к прецизионному исследованию продуктов жизнедеятельности. Установлено, что по хромато-масс-
спектрометрическому анализу слюны, кала, влагалищных смывов, выдыхае-
мого воздуха можно диагностировать многие заболевания, в частности сто-
матологические, гинекологические, легочные, психические. Кишечные газы
являются одним из наиболее доступных биологиче-
ских материалов, однако, они еще недостаточно используются для диагно-
стики заболеваний. Состав кишечных газов имеет также существенное зна-
чение для космической медицины. Исследование кишечных газов было про-
ведено на хромато-масс-спектрометре LKB-2091 (Швеция), соединенном с ЭВМ, включающей компьютер PDP 11/34 (США), дисплей и графопострои-
167
тель. Пробы кишечных газов отбирали во фторопластовые мешочки. На ос-
новании проведенных исследований за норму может быть принято следую-
щее содержание специфических химических соединений в кишечных газах (концентрации приведены к 760 мм.рт.ст. и 37 0
C). Из предельных углеводо-
родов в существенных количествах представлены (в скобках - концентрация в микрограммах на 1л) этан (2056), пропан (1485), пентан (677), изопентан (597), 2-метилпентан (97,4), 3-метилпентан (86,1), гексан (55,1), 2-
метилгексан (47,2), 3-метилгексан (45,2), октан (52,1), 2,2,5-триметилгексан (40,9), гептан (37,9), нонан и его изомеры (25,9), ундекан и его изомеры (18,6),додекан и его изомеры (14,4), тридекан и его изомеры (8,12), 2,2,5-
триметилгептан (31,6). Из предельных углеводородов обнаружены этилен
(857), бутилен (176), изопрен (541), гептен-1 (39,9), 3-метилбутен-1 (30,5), децен-1 (34,0), диизоамилен (30,2), ундецен-1 (25,9), додецен-1 (18,6), триде-
цин-1 (7,82), 4-метилоктадиен-1,7 (6,34), децин-3 (3,37). Идентифицированы следующие нафтеновые соединения: циклобутан (43,9), циклопентан (48,5), метилциклопентан (50,2), циклогексан (57,4), триметилциклопентан (45,5), 1,3-диметилциклогексан (36,9), этилциклогексан (60,7), триметилциклогексан (74,6), пропилциклогексан (31,9), амилциклогексан (24,2), индан (11,5), гек-
сагидроиндан (6,04). Выявлены соединения, принадлежащие к ароматиче-
ским углеводородам: бензол (446), толуол (114), этилбензол (140), ксилол (48,5), стирол (0,26), н-пропилбензол (13,5), 1-метил-3-этилбензол (23,3), 1-
метил-4-этилбензол (26,9), 1-метил-2-
этилбензол (26,3), бутилбензол (2,57), 1,2,4-триметилбензол (2,07), 1-метил-4-изопропилбензол (1,94), 1-метил-3-
изопропилбензол (2,08), 1,3-диметил-5-этилбензол (1,50), 1,2-диметил-4-
этилбензол (2,55), 1,3-диметил-2-этилбензол (2,36), 1,2,3,4-тетраметилбензол (1,38), нафталин (2,15), 2-метилнафталин. Представляет существенный инте-
рес идентификация в кишечных газах значительного количества специфиче-
ских кислородосодержащих соединений: альдегидов - формальдегида (28,3), ацетальдегида (195), 2-метилпропаналя (44,9), 3-метил-бутаналя (30,8), пен-
таналя (27,9), 2,4,-гексадиеналя (24,9), гексаналя (26,1), фурфураля (23,6), гептаналя (24,6), октаналя (25,9), бензальдегида (16,4), нонаналя (7,23), дека-
наля (4,92), ундеканаля (4,19); кетонов - ацетона
(409), метилэтилкетона (1960), 2-бутанона (44,2), метилциклобутилкетона (25,2), 2-гексанона (26,6), 4-гептанона (17,9), 3-октен-2-она (10,3), 2-деканона (7,49), 2-ундеканона (6,11), 3-метилциклопентанона (3,43); спиртов - метанола (53,8), этанола (850), пропанола (328), изопропанола (449), бутанола (246), циклогексилово-
го спирта (317), изоамилового спирта (278), бензилового спирта (176), 3-
метил-1-бутанола (276); эфиров - этилацетата (94,7), диэтилового эфира (176), 1,4-диоксана (80,4), бутилацетата (64,4), изобутилацетата (28,5), изо-
амилацетата (56,8), этилгексаноата (23,5), этилоктаноата (20,8), дифенилово-
го эфира (30,5), этилбутаноата (17,9), 3-метил-2-бутилацетата (21,7), а также других кислородосодержащих соединений - оксида
углерода (4049), фенола (93,7), фурана (234), n-крезола (558), ментола (35,6), муравьиной (1531) и ук-
сусной (2039) кислот. Из азотосодержащих углеводородов представлены следующие соединения: метиламин (746), изопропиламин (581), пирролидин 168
(0,199), индол (0,068), скатол (0,042), 2,2-дипиридил (2,68), н-метилпиррол (3,22), метилпинеразин (3,73), ацетонитрил (27,4), метакрилонитрил (2,62); из серосодержащих - метилмеркаптан (4,46), этилмеркаптан (10,1), диметилди-
сульфид (6,14), метил-н-пропилсульфид (6,99), амилмеркаптан (0,50), 2,3,4-
тритиопентан (2,83), амилтиозоцианат (3,66), этиленсульфид (4,22); хлорсо-
держащих - хлороформ (32,2), трихлорэтилен (20,1), тетрахлорэтилен (18,1), хлорбензол (19,6), хлористый метил (27,5), четыреххлористый углерод (3,37), дихлорметан (19,9), 1,1,1-трихлорэтан (6,47). Хромато-масс-
спектрометрический анализ кишечных газов может быть эффективно ис-
пользован для диагностики заболеваний. Поскольку многие из
указанных веществ имеют специфический запах, то экспериментально были определены пороги обонятельного ощущения для каждого из веществ в отдельности. Результаты эксперимента обрабатывали методом пробит-анализа. В эксперименте участвовали 28 лиц в возрасте 20-55 лет, не имеющих функциональных нарушений со стороны органов обоняния, полости рта и дыхательных путей. Результаты эксперимента показали, что пороговая концентрация для ин-
тересующих нас газов, сероводорода на уровне 0,021 мг/м
3
, аммиака - 0,206 мг/м
3
, паров ацетона - 0,409 мг/м
3
. 3.2. Обзор принципов и схем обработки данных Наибольшую активность в период с 1980 по 2000 гг. в сфере разработ-
ки измерителей концентрации проявила Россия, а пик патентования прихо-
дится на 1990-1993 гг. В настоящее время ведущими признаны следующие фирмы: 1.
Россия – Малое государственное предприятие "Практик - НЦ"", Нижегородское производственное предприятие "ЭКО - плюс", фир-
ма "Геба", АОЗТ "Сенсорные системы", ОАО "Украинский НИИ аналитического приборостроения". 2.
Япония – FIGARO ING. 3.
Германия – SIMENS, FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITAET JENA. 4.
PTC (WO) - AROMASKAN, MATSUSHITA ELEKTRIC INDAS-
TRIAL CO, MINNESOTA MINNING & MANUFACTURING COM-
PANI, CAPTER SENSOR & ANALYSERS LTD 5.
EP - MIKROSTRUKTURTECHNIK-MBH, UNITED KINDOM AT-
OMIK ENERGY AUTOHORITY, DRAEGERWERK AKTIENGE-
SELLSCHAFT. Основными задачами, стоящими перед разработками в настоящее вре-
мя, являются: -
повышение точности измерений; -
расширение диапазона измерений и функциональных возможно-
169
стей; -
повышение чувствительности и селективности; -
повышение надежности и срока службы; -
увеличение помехозащищенности; -
упрощение конструкции и способа изготовления; -
уменьшение погрешности измерения; -
повышение быстродействия; -
уменьшение энергопотребления; -
удешевление; -
увеличение быстродействия; -
улучшение весо-габаритных показателей; -
повышение стабильности параметров; -
снижение рабочей температуры; -
повышение достоверности анализа; -
обеспечение экспрессного анализа; Приведенные данные позволяют сделать вывод, что в настоящее время основной тенденцией в развитии методов и средств измерения концентрации является повышение чувствительности и селективности. 3.3. Выбор типов первичных преобразователей Обнаружение различных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов они вырабатывают электриче-
ские сигналы, которые более или менее специфичны для различных веществ. При этом используются различные физические и химические эффекты. Кро-
ме этих простых и надежных газовых детекторов для более ответственных применений существуют еще оптические фотометры, превосходящие
газо-
вые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству. Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства: термокондуктометрические ячейки (СО
2
, SO
2
, SF
6
); термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы); полупроводниковые датчики (спирты, Н
2
S, углеводороды, токсич-
ные газы); топливные ячейки (кислород). Термокондуктометрические ячейки. Принцип действия этих датчиков состоит в следующем: Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в ко-
торой имеется платиновая или никелевая проволочная спираль, нагретая до температуры примерно на 40
О
С выше окружающей. Если состав газов изме-
нится, то изменится также теплоотвод от нагретой спирали к стенкам ячейки. Охлаждение или нагрев спирали ведет к изменению ее сопротивления, кото-
170
рое сопоставляется в измерительном мосте со вторым - эталонным - сопро-
тивлением, расположенным в сравнительной камере. Одинаковый тепловой эффект может быть обусловлен смешением раз-
личных газов, но в соответственно разных количествах, применение датчика ограниченно только анализом бинарных смесей из трех и более данный спо-
соб непригоден. Топливные ячейки. Для оценки натекания воздуха по содержащемуся в нем кислороду применяют датчики с топливной ячейкой. В присутствии кислорода проис-
ходит окисление активной поверхности электропроводящего материала, на-
ходящегося между электролитом и атмосферным воздухом. В результате возникает электрический сигнал, который может быть измерен. Термохимические (каталитические) ячейки.
Термохимическая ячейка имеет две измерительные платиновые спира-
ли, включенные в измерительный мост. Одна спираль покрыта слоем актив-
ного катализатора, а вторая - слоем пассивного катализатора. Находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кислородом возду-
ха на активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО
2
). Выделяющая-
ся в результате этой реакции тепловая энергия вызывает повышение сопро-
тивления активной спирали, а в итоге - разбаланс моста. С помощью такого датчика можно обнаруживать незначительные концентрации СО. Полупроводниковые датчики. В самых простых и дешевых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. Устройство датчика состоит из керамической основы, на которой нахо-
дятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид ме-
талла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего меняется. С
помощью мостовой схемы это измене-
ние проводимости преобразуется в изменение напряжения. Наиболее значительным производителем полупроводниковых газовых датчиков является японская фирма Figaro Eng. Inc. Фирма Figaro Engineering Inc. является одним из мировых лидеров по производству датчиков детектирования и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха. Весь производственный процесс, вклю-
чающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, который гарантирует потребителям хорошие технические параметры датчиков, а также их надеж-
ность и стабильность в эксплуатации. Объем производимой продукции Figaro на сегодняшний день составляет 1 миллион датчиков в месяц. Среди потре-
бителей датчиков Figaro такие известные мировые компании как BMW, Mitsubishi Heavy Industries, General Motors, Daikin и др. Принцип действия датчика на основе
оксида металла основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия нанесен 171
тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высо-
кую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400
О
С) при помощи на-
гревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происхо-
дит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменя-
ется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации
газа, изме-
няющего адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика за-
висит от модели датчика и конкретного газа примеси. Зависимость сопротив-
ления датчика от концентрации газа, примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ppm) до нескольких тысяч ppm) (рис. 3.16). Датчик проявляет чувст-
вительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптималь-
ная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовле-
ния и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения. Рис. 3.16. Датчик TGS 2611 для обнаружения газов. 172
Рис. 3.17. Характеристика чувствительности для разных газов R
s
– сенсорное сопротивление в газах в различных концентрациях; R
0
– сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана. Рис. 3.18. Зависимость сенсорного коэффициента сопротивления от темпе-
ратуры R
s
– сенсорное сопротивление в 5000 ppm при различных температу-
рах/влажностях; R
0
– сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана при 20 0
С и 65%RH. 173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенные теоретические основы диагностических методов и аппа-
ратных средств, применяемых в практической медицине и лабораторных ис-
следованиях, по мнению авторов, помогут студентам старших курсов специ-
альности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" получить дополнительную информацию, необходимую для успешного решения широ-
кого круга задач при разработке и проектировании медицинской диагности-
ческой, терапевтической и лабораторной техники. Не все затронутые в учебном пособии вопросы рассмотрены одинаково подробно, не все методики проиллюстрированы числовыми примерами. Это обусловлено ограниченным объемом учебного издания. Более подробное из-
ложение ряда новых, совершенствуемых в настоящее время методов можно найти в специальной литературе, журналах, посвященных медицинскому приборостроению
. В заключении следует подчеркнуть, что разработка новых диагности-
ческих методов и современной аппаратуры в медицине является актуаль-
ной и социально значимой задачей современного медицинского приборо-
строения. Авторы составители выражают глубокую благодарность студентам специальности 190500, выпусков 1999-2004 г., дипломные работы которых послужили базой для составления настоящего учебного пособия 174
Литература 1.Биофизическое моделирование диагностического процесса – векторкардио-
графии. // Вестник новых медицинских технологий – 1999 - тVI - №3-4. 2.Белоусов В. Е. Математическая электрокардиология. - Минск: Бела-
русь,1969. – 143 с. 3. Дорофеева З. З. Принципы векторкардиографии. – М: Медгиз, 1963. – 96 с. 4. Макаров Л. М. Холтеровское мониторирование (руководство для врачей по использованию метода у детей и лиц молодого возраста). – М.: Мед-
практика
, 2000. - 216 с. 5. Мурашко В. В., Срутынский А. В. Электрокардиография. – М: Медицина, 1987. – 256 с.,ил. 6. Озол Э.А. Корригированные ортогональные отведения электрокардио-
граммы в клиническом анализе биоэлектрической активности сердца / автореферат. - Казань, 1972. - 26 с. Расчёт параметров электрокардиограммы желудочкового комплекса. // Вест-
ник новых медицинских технологий – 1999. - т.VI - №3-4. Титомир Л. И. Автоматический анализ электромагнитного поля сердца
/ Отв. ред. И. Ш. Пинскер.-М.: Наука, 1984.-176 с. Титомир Л. И., Рутткай-Недецкий И. Анализ ортогональной электрокардио-
граммы. – М.: Наука, 1990. – 198 с., ил. Тартаковский М. Б. Основы клинической векторкардиографии. – Л.: Меди-
цина, Ленинградское отделение, 1964. – 434 с., ил. Янушкевичус З. И., Чирейкин Л. В., Пранявичус А. А. Дополнительно уси-
ленная электрокардиограмма. – 2-е изд., испр. и доп. – Л.: Медицина, 1990. – 192 с.:ил. Мошкевич В.С. Фотоплетизмография (Аппараты и методы исследования). М.: "Медицина", 1970.345с. Исследование оптических свойств тканей фотоплетизмографическим мето-
дом // Стоматология. 1986. Т.65, №1 с.27-29. Биофизическое обоснование фотоплетизмографии в отраженном свете / М.И.Гайдук, В.В.Григорьянц, В.Н.Зайцев и
др. // Мед. Техника. 1990. №2.с.48. Фотоплетизмографичекие показатели гемодинамики при заболеваниях па-
радонта / Я.Н.Горенштейн, М.Е.Трухина, Д.А.Марголин, К.В.Милохов. // Стоматология.1989. Т.68, №5. с.2022. Модификация фотоэлектроплетизмографа для длительных динамических исследо-ваний. // Д.Д.Закирджаев, А.А.Багирзаде, Н
.Ф.Мурадов, Т.Г.Ахвердиева. // Азерб. мед. журн., 1982, №8, с.6871. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптикоэлектронных приборов: Учеб. для приборо-строит. вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. 359с., ил. Медицинские электронные аппараты для здравоохранения. Лесле Кромвелл перевод с английского под ред. М.
К. Размахнина - М: Радио и связь 175
1981г. Цифровая обработка сигналов. Опейгейм А.В., Шапер Р.В. Перевод с анг-
лийского под редакцией С.Я. Шаца –М: Связь, 1979г.-116с. Микрокомпьютерные медицинские системы. Проектирование и применение. Г. Фурно, Д. Дас, Г. Спренгер и др. перевод с английского – М: Мир, 1983г.-544с. Физиологические измерения в космосе и проблема
их автоматизации. Баев-
ский Р.М.- М: Наука, 1971г.-220с. Современные методы и аппаратура для автоматизированных измерений в кардиологии. Под редакцией профессора Н.Н. Мухарлямова – М: Меди-
цина, 1982г.-120с. Математический анализ измерений сердечного ритма при стрессе. Баевский Ф.М. и др.- М: Наука, 1984г.-222с. Перитонит. В.К. Гостищев
, В.П. Сажин, А.Л. Авдовенко – М: Медицина 1992г. Атлас цитологии экссудатов и транссудатов. А.Н. Яновский, М.А. Чепелова – Киев: «Здоровье» 1968г. Эндохирургические вмешательства при острых заболеваниях органов брюш-
ной полости. И.С. Малков, Р.Ш. Шаймарданов, И.А. Ким – Казань 1996г. Системотехническая разработка измерительно-вычислительных комплексов медицинского назначения
: Учебное пособие – практикум. В.М. Солдат-
кин, А.А. Порунов – Казань, 1994г. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник. В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин – М: Энергоатомиздат 1984г. Двухлучевые фотометрические системы для клинико-физиологических ис-
следований. Учебное пособие. Е.П. Попечителев, Б.И. Чигирев – Л: Из-
дательство Ленинградского университета, 1991 г. Оптоэлектроника в измерительной технике. В.Ф. Бахтумский, Н.И. Горели-
ков, Ю.Н. Кузин – М: Машиностроение, 1979г. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразова-
тели. Е.С. Левшина, П.В. Новицкий – Л: Энергоатомиздат 1983г. Применение оптоэлектронных приборов. Под редакцией Ю.Ф. Носова – М: Радио и связь 1981г. Проектирование оптико-электронных приборов. Ю
.Б. Парвулюсов, В.П. Солдатков, Ю.Г. Якушенко – М:Машиностроение 1983 г. Волоконно-оптические датчики. В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов – М: Энерго-
атомиздат 1990г. Интегральная электроника в измерительных устройствах. В.С. Гутников – Л: Энергия 1980г. Диагностика и лечение заболеваний органов пищеварения. Бабак О.А. Харь-
ков, 1991.-269 с. Бейтс Р. Определение рН: Теория и практика. Л.: Химия. 1968.-398 с. Внутрижелудочная рН-метрия. Методическое пособие для врачей. г.Фрязино, ГНПП Исток-Система, 1996.-48с. РН-метрические зонды. Рекомендации для медицинского персонала. 176
г.Фрязино, ГНПП Исток-Система, 1998.-42с. Бехтерева Н. П. О мозге человека.– С.-Пб.: Нотабене, 1997.-65с Гетман Ф. Ф. Автоматический способ калибровки реоэнцефалограммы. // Врачеб-
ное дело 1970 №1 Глубинные структуры мозга: Анатомия, патология и физиология: В 2х т./ под общ. ред. В. В. Михеева.-М.: Наука, 1969. – 158с Дженкнер Ф. Л. Реоэнцефалография: пер
с англ / под ред. Т. М. Дарбиняна. – М.: Медицина, 1966. – 81с Диагностика и прогнозирование функционального состояния мозга человека / АН СССР. – М.: Наука, 1988. – 206с Кедров А.А. О методике реоэнцефалографии // Кардиология.-1987 Т.28.№2 Компьютерная реография. М.А. Ронкин, В.С. Шалыгин, А.В. Пироженко, И.М. Максименко, В.Г. Горбачева, В.Д. Щербакова, Л.И. Васильева // Биомедицин-
ские технологии и радиоэлектроника 2002 №8 Методы клинической нейрофизиологии. Изучение физиологии головного мозга че-
ловека. Под ред. В. Б. Гречина.: Наука, 1977. - 355с Минц А. Я., Ронкин М. А. Реографическая диагностика сосудистых заболеваний головного мозга.-Киев.: Здоровья, 1967. – 157с Москаленко Ю. Е., Вайнштейн Г. Б. Реоэнцефалография: биофизические основы, информативность
, границы применения. // Физиология человека.-1983 Т9, №5 Реография: импедансная плетизмография. Под ред. Сидоренко Г. И. 1978 Соколова И. В. Система автоматизированной диагностической оценки функцио-
нального состояния сосудов головного мозга по реоэнцефалограмме. // Меди-
цинская техника.-1986 №2 Черкес В.А., Олешко Н. Н., Ваколюк Н. И., Луханина Е. П. Физиология головного мозга. Практическое пособие. Учеб. пособие для ст-тов биол. спец. ВУЗов. К.: Вища школа, 1976 Яруллин Х. Х. Клиническая реоэнцефалография. - Л.: Медицина, 1967 Исследование системы крови в клинической практике (под ред. Г.И.Козинца). – М.: Триада, 97. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. - М.: Научная школа, 82. – 425 с. Бурчинский Г.И. Реакция оседания эритроцитов. – Киев: Госмедиздат УССР, 1962. Козловская Л.В. и др. Учебное пособие по клиническим лабораторным мето-
дам исследования./ Под ред. акад. АМН СССР Е.М.Тареева. – М.:Медицина,1984. Скорость оседания эритроцитов в клинической практике. //Курашвили Л.В., Михалкина О.П.// Клиническая лабораторная диагностика. – 1994. - №4. Реологические свойства эритроцитов. Современные методы исследования// Катюхин Л.Н.// Физиологический журнал им.И.М.Сеченова. – 1995.- т.81.-№6. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М.: Мир, 86. – 664 с. Топорец. А.С. Оптика шероховатой поверхности. – Л.: Машиностроение, 88. 177
– 191 с. О повышении информативности фотометрической регистрации агрегацион-
ных свойств эритроцитов//Попов М.П., Реук В.Д., Д.И.Зюбан, Толстой Л.А.//Гематология и трансфузиология. – 1987. - №5. – с.52 – 55. Методы анализа гематологических характеристик, основанные на светорас-
сеянии //Буглов Е.Д., Бондаренко В.С., Костин Г.М., Хайруллина А.Я.//Медицинская техника. – 1989. - №4. - с.17 - 24. Ашкинази И.Я. Эритроциты и внутреннее тромбопластообразование. – Л.: Наука, 77, 155 с. Хэм А., Кормак Д. Гистология, т. 5. М., 1985 г. А.И.Новиков, А.Е. Ермоленко, А.Б. Косырев. Сравнение различных способов измерения полученной “дозы” гемодиализа // Мед. техника. – 1995,- №4, - с. 18-22. Гринвальд В. М. Моделирование структуры аппаратов для гемодиализа // Мед. техника. – 2001,- №4, - с. 20-27. Максимов Е.П. Динамический алгоритм профилирования параметров гемо-
диализа // Мед. техника. – 2002,- №4, - с. 20-22. Будников Г. К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образователь-
ный журнал. – 1998, - №3, - с. 72-76. Будников Г. К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соро-
совский образовательный журнал. – 1996, - №12, - с. 26-32. Биосенсоры для определения органических соединений: Сенсоры аминокис-
лот, мочевины
, спиртов и органических кислот: Обзор/ Сорочинский В.В., Курганов Б.И. //Прикладная биохимия и микробиология.-1997.-
Т.33, № 6.-с.579-594. Никольский Е.Б., Ягодина О.В. Ферментный электрод для определения мик-
роколичеств некоторых азотосодержащих веществ.// Журнал аналитиче-
ской химии.–1985.-Т.40, вып.7, с. 1299-1307. Решетилов А.Н. Модели биосенсоров на основе потенциометрических и ам-
перометрических преобразователей для использования в медицине, био-
технологии, мониторинге объектов окружающей среды.// Прикладная биохимия и микробиология.-1996.-Т.32, № 1.-с.79-95. Будников Г.К., Медянцев Э.П. и др. Амперометрические датчики на основе иммобилизированных ферментов.// Успехи химии.-1991.-Т.60, № 4.- с.880-909. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Муринов Ю.И. Вольтамперометрия с мо-
дифицированными
и ультрамикроэлектродами. М.: Наука, 1994. 239 с. Биосенсоры: основы и приложения./ Под ред. Э. Тернера и др. М.: Мир, 1992. 614 с. 
Автор
Photo-72
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
897
Размер файла
1 998 Кб
Теги
berdnikov, 2004гггг
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа