СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ ГЕМОГЛОБИНА КРОВИ КИСЛОРОДОМ Российский патент 1996 года по МПК G01N33/48 

Изобретение относится к медицинской измерительной технике, предназначено для создания бесконтактных автоматических оксигенаметров, может быть использовать при диагностике насыщения крови кислородом в пробах, в системах искусственного кровообращения и в сосудах живого организма.

Известен способ определения степени насыщения крови кислородом (а.с. СССР N 1374931, зарегистрировано в гос. реестре 15.10.1987 г.). В этом способе степень насыщения крови кислородом, обозначаемую , определяют по ширине линии сигнала протонного резонанса исследуемо пробы крови. Способ основан на том, что не содержащие кислорода парамагнитные молекулы деоксигемоглобина (Нb) создают в крови дополнительную неоднородность магнитного поля ΔH_в, которая, добавляясь к неоднородности поля магнита Δ_м, где наблюдают сигнал протонного резонанса, приводит к увеличению ширины линии сигнала. С увеличением возрастает относительное количество диамагнитных молекул оксигемоглобулина (НbO₂ и уменьшается относительное количество парамагнитных молекул Нb, что приводит к уменьшению ΔH_в. В результате с увеличением от 0 до 1 ширина линии уменьшается до значения Δ_м.

Недостаток способа в том, что вследствие сильного влияния Δ_м, он требует применения спектрометра ЯМР высокого разрешения с магнитом весом в несколько тонн, обеспечивающим неоднородность магнитного поля в пробе Δ_м сравнимую с максимальным значением ΔH_в, составляющим 5•10⁷ Тл. Применение небольших переносных магнитов приводит к большой погрешности измерений , так как в этом случае уширение, вызванное гемоглобином, значительно меньше ширины линии, связанной с неоднородностью внешнего магнитного поля.

Известен другой способ определения степени насыщения крови кислородом (а. с. СССР N 1426240, зарегистрировано в гос. реестре СССР 22.5.1988 г.). В этом способе движущаяся в постоянном магнитном поле кровь последовательно протекает через две радиочастотные катушки, в каждой из которых под действием резонансного радиочастотного поля происходит поворот ядерной намагниченности на угол n/2. В результате за время протекания крови между катушками t ядерная намагниченность, ориентированная поперек направления внешнего магнитного поля, уменьшается пропорционально множителю . Здесь T*2

эффективное поперечное время релаксации, определяемое выражением:
,
где Т₂ естественное спин-спиновое время релаксации, γ-гиромагнитное отношение протонов, D-суммарная неоднородность магнитного поля в пробе, складывающаяся из неоднородности поля магнита D_м и неоднородности ΔH_в, создаваемой деоксигемоглобином. По изменению сигнала ЯМР, вызванному этим уменьшением ядерной намагниченности, определяют T*2, откуда с учетом Т₂ и Δ_м находят ΔH_в, по которому, как и в предыдущем способе, определяют . Недостаток этого способа, как и предыдущего, в сильном влиянии неоднородности поля магнита. Для устранения этого влияния магнитное поле создают соленоидом, экранированным от внешних магнитных полей. Это усложняет конструкцию и сильно увеличивает погрешность измерения , так как кровь, протекая в слабом поле, быстро размагничивается за счет продольной релаксации и поэтому дает сигнал ЯМР с амплитудой сравнимой с шумами радиосхем.

В предлагаемом способе, как и в известных, степень насыщения гемоглобина крови кислородом находят по его парамагнетизму, определяемому методом ЯМР. Для устранения влияния неоднородности поля магнита Δ_м сигнал ЯМР регистрируют методом спинового эха, амплитуда которого не зависит от неоднородности магнитного поля в пробе. Степень оксигенации гемоглобина определяют по градиенту магнитного поля, создаваемому парамагнитными молекулами деоксигемоглобина.

Преимущество предлагаемого способа в том, что при сравнимых значениях неоднородностей поля в пробе, создаваемых магнитом Δ_м и деоксигемоглобином ΔH_в, градиент поля магнита значительно меньше градиента поля деоксигемоглобина, что сильно уменьшает погрешность измерения степени оксигенации крови предлагаемым способом, особенно при использовании малогабаритных магнитов. Оценить отношение градиентов можно приняв градиент поля магнита равным Δ_м, где а= 1 см. размер пробы, а градиент поля гемоглобина равным ΔH_в, где b= 3•10^-3 см. половина расстояния между эритроцитами. Отсюда следует, что при равных неоднородностях поля Δ_м=ΔH_в градиент поля магнита в 300 раз меньше градиента поля гемоглобина.

Способ осуществляется следующим образом. Проба крови в стеклянной ампуле, или трубка с текущей кровью помещается в радиочастотную катушку, расположенную в сильном однородном поле обычного малогабаритного магнита. Регистрируется амплитуда сигнала синового эха А_x с последовательностью импульсов, предложенной Ханом: один 90^o импульс, через время τ один 180^o импульс, через время t регистрация амплитуды эха. При этом сигнал эха регистрируется через время t=2τ после 90^o импульса. От этой же пробы регистрируется амплитуда сигнала спинового эха А_к с последовательностью импульсов, предложенной Карром, Парселом, Мейбумом и Виллом: один 90^o импульс, через время t последовательность 180^o импульсов с интервалом 2τ/n, через время τ/n после n-го 180^o импульса регистрация амплитуды эха. При этом сигнал эха регистрируется, как и в первом случае, через время t=2τ после 90^o импульса.

Зависимости от времени t амплитуд сигналов спинового эха А_x и A_к имеют вид:

Здесь Т₂ естественное спин-спиновое время релаксации протонов крови, К параметр, определяемый градиентом магнитного поля, grad B, создаваемым парамагнитными молекулами деоксигемоглобина: K=γ•gradB•D^1/2 (D коэффициент диффузии молекул воды). Так как grad B пропорционален /1-/-относительному содержанию в гемоглобине парамагнитного деоксигемоглобина, этой величине пропорционален и параметр К:
(2)
где К максимальное значение К, соответствующее =0
Из (2) следует формула для определения :
(3)
Согласно (1), параметр К можно определять по амплитудам эха:
. (4)
Подставив (4) в (3), находим связь с амплитудами сигналов эха:
. (5) Таким образом, предлагаемый способ состоит в измерении для пробы крови амплитуд эха А_x и A_к и определении по формуле (5).

Способ был реализован на серийном ЯМР спектрометре minispec PC-100 с малогабаритным магнитом, имеющим диаметр полюсов около 5 см. Измерялись амплитуды сигналов спинового эха А_x и A_к протонов крови при временах t=0,12; 0,18; 0,24; 0,3 c. и по формуле (4) вычислялись значения К. Одновременно насыщение определялось при помощи оптического оксигемометра датской фирмы "Радиометр". Была получена пропорциональная зависимость К от 1-, из которой путем экстраполирования найдено значение К при =0; К_м=300. Таким образом, формула для определения крови:
(6)
Погрешность определения по этой формуле составила около 5%

Использование: медицина, для определения степени насыщения гемоглобина крови кислородом. Сущность изобретения: измеряют парамагнетизм гемоглобина методом ЯМР. На кровь воздействуют постоянным и импульсным переменным магнитным полем, регистрируют сигналы спинового эха, степень оксигенации определяют по отношению амплитуд сигналов, полученных при разных последовательностях импульсов переменного поля.

Способ определения степени насыщения гемоглобина крови кислородом, включающий исследование крови методом ядерно-магнитного резонанса с последующим расчетом, отличающийся тем, что измеряют отношение сигналов спинового эха, полученных при разных последовательностях импульсов радиочастотного поля, а расчет степени насыщения гемоглобина (SO₂) осуществляют по формуле

где A_k амплитуда сигнала спинового эха с последовательностью импульсов, равной: один 90^o импульс, через время τ/n последовательность 180^o импульсов с интервалом 2τ/n, через время τ/n после n-го 180^o импульса регистрация амплитуды эха, при этом сигнал эха регистрируется через время t = 2τ после 90^o импульса;
A_x амплитуда сигнала спинового эха с последовательностью импульсов, равной: один 90^o импульс, через время t один 180^o импульс, через время t регистрация амплитуда эха, при этом сигнал эха регистрируется через время t-2τ после 90^o импульса;
t время от начала последовательности импульсов до момента регистрации сигнала эха;
C численный коэффициент.