Спектрофотометрические сенсоры как один из видов оптических сенсоров. Фотоплетизмографы. Оксиметры и пульсоксиметры

18.3. Оксиметры и пульсоксиметры

Еще в 30-х – 40-х годах ХХ в. начались разработки оксиметров – приборов для неинвазивного (без взятия пробы крови) измерения насыщения крови кислородом [ [ 25 ] ]. Их действие основано на специфических спектрах поглощения молекул гемоглобина, которые переносят кислород из лёгких ко всем частям тела и входят в состав эритроцитов – красных кровяных телец крови. В альвеолах легких молекулы гемоглобина ( ) химически присоединяют к себе кислород, превращаясь на оксигемоглобин ( ). С потоком крови они попадают в разные органы и биологические ткани тела, где молекулы диссоциируют, отдают кислород окружающим клеткам и превращаются в восстановленный гемоглобин . Этот процесс должен быть беспрерывным потому, что без постоянного поступления кислорода клетки быстро теряют способность функционировать и отмирают. Особенно болезненно реагируют на недостачу кислорода нервные клетки головного мозга. Таким образом, функции, выполняемые в организме человека молекулами гемоглобина, без всяких натяжек, жизненно важны. И показатель насыщения крови кислородом является чрезвычайно важным.

18.3.1. Спектры поглощения разных форм гемоглобина

Спектры поглощения разных форм гемоглобина показаны на рис. 18.8. По горизонтали здесь отложена длина волны света в нанометрах (нм), а по вертикали – десятичный логарифм молярного коэффициента поглощения.

Обычно в крови в значительных количествах присутствуют лишь оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин. Спектры этих форм гемоглобина, как видно из рис. 18.8, на некоторых участках заметно отличаются. Сильное поглощение обеими этими формами гемоглобина фиолетового (380-450 нм), синего (450-480 нм), голубого (480-510 нм), зеленого (510-550 нм) света придают крови красную окраску. А существенно разное поглощение оксигемоглобином и восстановленным гемоглобином красного света (620-760 нм) предопределяет разные оттенки цвета артериальной (насыщенной кислородом) и венозной крови. Это различие и позволило создать интеллектуальные оксиметры, предназначенные для неинвазивного измерения насыщенности крови кислородом.

Рис. 18.8. Спектры поглощения разных форм гемоглобина: 1 – восстановленный гемоглобин (Hb); 2 – оксигемоглобин (HbО2); 3 – карбоксигемоглобин (HbCO); 4 – метгемоглобин (Hi) при рН = 7,2; 5 – цианметгемоглобин (HiCN); 6 – сульфогемоглобин (SHb); 7 – карбоксисульфогемоглобин (SHbCO)

18.3.2. Принцип действия оксиметров

Выбирают 2 разные длины волны: одну, которую называют "опорной" или "референтной", – в той области спектра, где и поглощают свет одинаково слабо, например, при ; вторую, "измерительную", – в том спектральном интервале, где коэффициенты поглощения молекул и значительно отличаются, например, при . Если сквозь какую-то часть тела, например, сквозь мочку уха или сквозь палец пропустить пучок света, в котором имеются спектральные составляющие указанных длин волны, то при прохождении сквозь тело составляющая с "измерительной" длиной волны поглощается сильнее. И на выходе из тела она оказывается значительно слабее, чем "опорная" спектральная составляющая. Интенсивность "измерительной" составляющей к тому же тем меньше, чем ниже уровень насыщения крови кислородом. Измерение и сравнение спектральных интенсивностей указанных составляющих и позволяет количественно определить насыщенность крови кислородом.

Проведем количественный расчет. Спектральная интенсивность света на выходе из тела согласно законам (18.7, 18.9) на длине волны (в опорном канале) составляет

( 18.10)

( 18.11)

– спектральные интенсивности светового зонда при входе в тело на длине волны и соответственно;

и – коэффициенты "фонового" поглощения света, т.е. поглощения всеми компонентами ткани тела, кроме гемоглобина и оксигемоглобина, на длине волны и соответственно;

и – молярные коэффициенты поглощения восстановленного гемоглобина на длине волны и соответственно;

и – молярные коэффициенты поглощения оксигемоглобина на длинах волны и соответственно;

и – молярные концентрации восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина в ткани тела;

– длина пути света в ткани.

Логарифмируя выражения (18.10) и (18.11) и преобразуя их, получаем

( 18.12)

( 18.13)

Полученные выражения можно рассматривать как систему двух линейных алгебраических уравнений относительно концентраций и .

Кислородную насыщенность крови (или насыщение крови кислородом) количественно определяют как отношение концентрации молекул оксигемоглобина к общей концентрации молекул гемоглобина и обычно выражают в %.

Решая систему (18.12-18.13), находим кислородную насыщенность крови в исследуемом участке тела

( 18.14)

( 18.15)

Здесь – константы, которые являются характеристиками молекул гемоглобина и оксигемоглобина; и – константы, являющиеся характеристиками других компонент живой ткани; и – константы прибора. Величины и измеряются.

Как видим, в расчетные формулы не входит длина пути d света в ткани, поскольку при отношении концентраций она сокращается. Это очень важно, поскольку длина пути света в ткани не является здесь фиксированной, так как толщина пальца или мочки уха у разных людей разная. Таким образом, определение не абсолютной, а относительной концентрации вещества, как в данном случае, существенно упрощает задачу построения медицинского спектрофотометрического сенсора.

Наличие микрокомпьютера позволило быстро выполнять все необходимые вычисления в самом сенсоре и выдавать пользователю найденный уровень насыщения крови кислородом в удобной для врача форме – в процентах.