СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ КИСЛОРОДОМ СМЕШАННОЙ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК G01N33/48 G01N33/49 

Изобретение относится к медицине, а именно к клинической физиологии, к способам неинвазивного определения газовых параметров крови для последующего использования их в функциональной диагностике для оценки текущего состояния кровообращения и газообмена человека в покое и при физической нагрузке.

При диагностическом обследовании здоровых лиц и пациентов с сердечно-сосудистой патологией необходимо у них знать точную оценку ключевых параметров кровообращения и газообмена. К ним относятся сатурация О₂ артериальной (НвО_2арт) и смешанной венозной крови (НвО_2вен), потребление организмом кислорода (ПО₂), концентрация гемоглобина в крови (Нв). Из них НвО_2арт и Нв относительно постоянны. У подавляющего большинства здоровых лиц и пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями эти параметры зависят от возраста и диагноза.

У больных со сложными врожденными пороками сердца, когда имеются сбросы крови слева направо и справа налево, а также существуют шлюзы выходных отделов желудочков сердца и крупных магистральных сосудов (например, при коарктации аорты), возникает трудноразрешимая проблема выбора места забора пробы венозной крови во время диагностического зондирования, насыщение которой кислородом в точности соответствует насыщению средней смешанной венозной крови всего организма. Только в случае точного измерения насыщения смешанной венозной крови организма можно получить точную величину артериовенозной разности по кислороду, а значит, вычислить точную величину минутного объема кровообращения по А.Фику.

По сравнению с артериальной кровью параметры венозной крови сильно варьируют как по месту забора проб крови, так и по времени, когда пробы крови отбираются из одного и того же места. Эта вариабельность параметров образцов венозной крови следует из того, что разные органы и ткани всегда находятся в разном функциональном состоянии, а значит, и количество отбираемого кислорода из артериальной крови различно.

Простое усреднение сатурации венозной крови, забранной из различных мест и от разных органов, не является оценкой среднего значения сатурации для всего организма из-за технической невозможности отобрать в короткий интервал времени пробы крови от всех органов и тканей. Однако эту величину необходимо знать для точного вычисления величины минутного объема по А.Фику, не прибегая к исследованию сердечно-сосудистой системы человека методом артериального и венозного зондирования, которое осуществляется с диагностической целью только по медицинским показаниям, несмотря на относительную безопасность этих прямых методов исследования.

Известны следующие способы измерения и вычисления НвО_2вен.

1) Измерение НвО_2вен через грудную стенку пациента посредством измерения магнитного момента крови, осуществляемого сверхпроводящим измерителем градиента магнитного момента (сквидом). Осуществление этих измерений может быть осуществлено при наличии специального криостата, сжиженного газа, например гелия-1, охлажденного до температуры, необходимой для возникновения сверхпроводимости, и специального магнитометра, погруженного в него [Власов Ю.А., Рогачевский Б.М., Якименко А.В., Смирнов С.М. Способ определения уровня оксигенации крови. Авторское свидетельство ₍₁₁₎ 982658. - Бюллетень №47, дата опубликования 28.12.1982 г.]. Применяемые для реализации этого способа технические устройства и расходуемые материалы (сжиженный гелий) сами представляют существенное ограничение для его массового применения.

2) На основе достаточно точных измерений кислотно-основного и кислородного статуса крови здорового человека было постулировано, что 75% сатурации смешанной венозной крови человека соответствует всегда экстракция 2,3 mmol/L крови при постоянном рН и pCO₂ [Siggard-Andersen O., Wimberley P.D., Fogh-Andersen N., Arterial oxygen status determined with routine pH/blood gas equipment and multi-wavelength hemoximetry: reference valies, precision and accuracy// Scand. J. Clin. Lab. Invest. - 1990. - V.50. - Suppl.203. - P.57 - 66]. Такое определение сатурации средней смешанной венозной крови не может быть использовано при конкретных измерениях у здоровых лиц и пациентов с сердечно-сосудистой патологией.

3) Другой основывается на теоретическом анализе процессов кровообращения и газообмена в микроциркуляторном модуле, на основании которого выведено уравнение, позволяющее получить искомое значение НвО_2вен. Этот способ имеет недостатки, заключающиеся в том, что необходимо предварительно вычислить величину расхода сердца (Q), (а для этого уже должна быть известна величина НвО_2вен), дыхательный коэффициент организма (RQ) и величину (τ), производную от концентрации гемоглобина в крови [Власов Ю.А., Смирнов С.М. От молекулы гемоглобина к системе микроциркуляции. - Новосибирск: Наука, 1993 г., 244 с. (стр.216; уравнение 8.30)]. У него есть существенные ограничения, связанные с необходимостью предварительно получить точную оценку дыхательного коэффициента RQ, и осуществить пересчет величины Нв в параметр τ.

Для большого круга прикладных диагностических задач в клинической физиологии необходим другой способ надежной и точной оценки насыщения кислородом смешанной венозной крови человека.

Целью предлагаемого изобретения является получение точной оценки среднего значения НвО_2вен смешанной венозной крови организма и точной величины артериовенозной разности кислорода в большом круге кровообращения (А-В), не прибегая к зондированию сердечно-сосудистой системы организма.

Способ осуществляется следующим образом.

У испытуемого здорового человека или у пациента с сердечнососудистыми заболеваниями измеряются концентрация Нв в крови (г/л); потребление кислорода (ПО₂) на оксиспирографе; величина сердечного выброса (УО) и частота сердечных сокращений (ЧСС) на эхокардиографе; объем циркулирующей крови обследуемого (ОЦК) методом разведения красителей или альтернативными способами, по ОЦК и концентрации Нв измеряется общее содержание Нв в организме.

Такие параметры, как ПО₂, УО и ЧСС могут быть измерены у человека и при физической нагрузке, а значит, при физической нагрузке может быть найдена точная величина насыщения кислородом средней смешанной венозной крови.

Далее полученные значения измеренных у обследуемого параметров Нв, ПО₂, УО, ЧСС, ОЦК подставляются в уравнения и находятся численные оценки искомой величины насыщения кислородом средней смешанной венозной крови организма.

А. В организме основным переносчиком кислорода является Нв, основной емкостью, содержащей кислород, является объем циркулирующей крови (ОЦК, л), содержащей следующее количество О₂ - КЕК_{организма} (или КЕК₀)

где ОЦК - объем циркулирующей крови, л; Нв - концентрация гемоглобина, г/л; 1,355 - константа Гюффнера, количество О₂ в мл, связываемое одним граммом Нв. Это количество кислорода всегда присутствует в организме человека и зависит только от двух переменных - ОЦК и Нв. ОЦК вычисляется по формуле: ОЦК=0,98+0,0126×Н+0,24×М_Т, где Н - рост в см, результат выражается в л, М_Т - масса тела, содержание гемоглобина в организме вычисляется по формуле: Нв=145+1,86×Н+3,53×М_Т, обозначения те же, результат выражается в граммах [Балаховский И.С., Киселев Р.К. Должные величины массы гемоглобина у мужчин // Тер. Арх. - 1983. - Т.55. - №4. - С.93-98]. Более точно ОЦК может быть вычислен по уравнениям

ОЦК=(102,7557×(ехр(-0,0056332202×В)))×М_Т для здоровых мужчин;

ОЦК=(96,9571×(ехр(-0,0051803309×В)))×М_Т для здоровых женщин.

Для пациентов с врожденными пороками сердца бледного типа

ОЦК=(98,1417×(ехр(-0,01130019004×В)))×М_Т для мужчин,

ОЦК=(83,0103×(ехр(-0,0035780094×В)))×М_Т для женщин.

Для пациентов с врожденными пороками сердца цианотического типа

ОЦК=(103,6021×(ехр(-0,0037141632×В)))×М_Т для мужчин,

ОЦК=(109,1115×(ехр(-0,0056720046×В)))×М_Т для женщин.

Для пациентов с приобретенными пороками сердца ОЦК вычисляется так же, как и для здоровых [Власов Ю.А., Окунева Г.Н. Кровообращение и газообмен человека. Справочное руководство. Новосибирск: Наука, 1992 г. - 320 с. (стр.231; табл.146)].

Первая переменная (ОЦК) практически не меняется, вторая (Нв) также может считаться постоянной в малые интервалы времени, например сопоставимые с минутой. В такие интервалы времени современные приборы надежно измеряют количество потребляемого кислорода, который извлекается из КЕК₀. Таким образом, потребленный кислород за одну минуту (ПО₂, л/мин) представляет собою разность между общим количеством кислорода, содержащимся в ОЦК, и тем количеством, которое осталось в венозной части сосудистого русла после перемещения крови через капилляры, т.е.

Отсюда доля, которую составляет ПО₂ от КЕК₀ можно представить как отношение

Полное количество кислорода в ОЦК приравнивается к 1 или 100%. Тогда содержание или сатурация венозной крови кислородом будет равно

Это и будет усредненной по всему объему организма наиболее надежной оценкой сатурации кислородом смешанной венозной крови. Полное выражение следующее:

В действительности необходимо использовать не весь ОЦК, а только ту его часть, которая в течение минуты совершает полный оборот в сосудистой системе, т.е. минутный объем кровообращения (МОК) должен быть представлен как функция ОЦК

для диапазона возрастов от года до 23 лет; для старших возрастов (от 23 до 90 лет)

Б. Другой вариант состоит в том, что для такой оценки величины % НвО_2вена используются среднее содержание гемоглобина в одном килограмме массы организма и величина потребления кислорода в минуту массой этого килограмма - Нв, г/кг и ПО₂, мл/(кг мин). Последний параметр и является средним выражением артериовенозной разности по кислороду для единичного килограмма массы организма. Количество Нв, содержащегося в единичном килограмме массы организма, легко переводится в кислородную емкость крови - Нв×1,355, размерность которой - мл О₂ / кг. Отношение величины удельного потребления кислорода - (мл/(кг мин)) к кислородной емкости гемоглобина (КЕК_Нв) в одном кг массы выражает долю (процент) ПО₂ (мл/(кг мин)) от КЕК_Нв. Тем самым находится относительная величина средней артериовенозной разности по О₂ для усредненного единичного килограмма массы организма, т.е.

Отсюда находится средняя оценка величины насыщения венозной крови О₂ как разность

В. Наиболее простой способ состоит в том, что величина кислородного пульса (КП) характеризует величину ПО₂, поглощаемую всем организмом за одно сердечное сокращение

Это есть интегральное выражение (А-В) разности по кислороду организма за одно сердечное сокращение, которая представляет ПО₂ из объема единичного сердечного выброса - ударного объема (УО). Количество кислорода в УО следующее:

где Нв/1000 - содержание Нв в одном миллилитре крови, если размерность концентрации Нв г/л; и Нв/100, если размерность - г/100 мл крови; 1,355 - константа Гюффнера.

Частное от деления КП на КЕК_УО будет выражать (А-В) разность по кислороду за одно сердечное сокращение

Отсюда значение %НвО_{2 вен} будет равно

Полученная величина будет выражать среднюю сатурацию кислородом смешанной венозной крови человека за конкретное сердечное сокращение.

Г. При физической нагрузке наименьшая величина сатурации кислородом смешанной венозной крови и наибольшая (А-В) разность кислорода может быть вычислена способом, который описан в пункте (А). В этом случае используется величина достигнутого максимального потребления кислорода для заданной величины нагрузки, а коррекция величины ОЦК производится по другим уравнениям - до 23 лет

после 23 лет

Точно так же при измерении УО методом ультразвуковой эхокардиографии во время физической нагрузки способом, описанным в пункте (В), может быть оценена максимальная (А-В) разность кислорода и наименьшее насыщение кислородом смешанной венозной крови.

Примеры.

1. Для случая А. Пол мужской, возраст 2 года, объем циркулирующей крови - 1,1517 л, ПО₂ организма - 0,103257 л/мин, Нв - 128,2 г/л. При подстановке этих данных в формулы [4, 5] получаем заниженную величину сатурации средней смешанной венозной крови организма. Используя формулу [6] для корректировки содержания кислорода в ОЦК, получаем величину МОК - 2,575141 л/мин, и через эту величину количество доставляемого тканям кислорода - 0,44733 л/мин. Подстановка последнего значения в формулу [4 или 5] дает величину средней сатурации смешанной венозной крови кислородом - 0,739171 или 73,9171%.

2. Для случая Б. Пол мужской, возраст 17 лет, масса тела - 61,54167 кг, количество гемоглобина в килограмме массы тела - 13,53512 г/кг, кислородная емкость этого гемоглобина - 18,34009 мл O₂/кг, потребление O₂ килограммом массы - 3,899959 мл О₂/кг. Подстановка этих значений в формулы [8 и 9] дает значение средней сатурации смешанной венозной крови кислородом - 0,751944 или 75,1944%.

3. Для случая В. Пол мужской, возраст 9 лет, ПО₂ организмом -149,1394 мл/мин, частота сердечных сокращений - 82,5464 уд/мин, содержание гемоглобина в крови - 128,1968 г/л, ударный объем (по данным эхокардиографии) - 49,04364 мл, подстановка этих величин в формулу [13] дает величину средней сатурации кислородом смешанной венозной крови - 0,754017 или 75,4017%.

4. Для случая Г. Пол мужской, ОЦК - 6,1371 л, максимальное потребление организмом O₂ при максимальной нагрузке - 3,2906 л/мин, Нв - 139,3 г/л. По формуле [14] получена откорректированная по ОЦК величина максимального МОК - 27,98436 л/мин. Она обеспечивает доставку - 5,282089 л О₂/мин. Отсюда сатурация кислородом смешанной венозной крови при максимальной нагрузке

%НвО_2вена=0,96-(3,2906/5,282089)=0,337027 или 33,7027%.

Предлагаемый способ позволяет получить точные неинвазивные данные среднего значения НвО_2вен смешанной венозной крови организма и величины артериовенозной разности кислорода в большом круге кровообращения.

Изобретение относится к области медицины, а именно к клинической физиологии, к способам неинвазивного определения газовых параметров крови для последующего использования их в функциональной диагностике для оценки текущего состояния кровообращения и газообмена человека в покое и при физической нагрузке, без использования процедуры зондирования полостей сердца и крупных сосудов. Определение проводят по расчетным формулам. Способ позволяет получить точные неинвазивные данные среднего значения НвО_2вен смешанной венозной крови организма и величины артериовенозной разности кислорода в большом круге кровообращения. 5 н.п. ф-лы.

1. Способ определения среднего значения насыщения кислородом смешанной венозной крови человека, включающий измерение у испытуемого потребления кислорода организмом (ПО₂), концентрации гемоглобина в крови (Нв), объема циркулирующей крови (ОЦК), ударного объема (УО) и частоты сердечных сокращений (ЧСС), отличающийся тем, что измерение проводят как в покое, так и при физической нагрузке, а среднее насыщение кислородом смешанной венозной крови определяют по формуле

%НвО_2вена=1-(ПО₂/(ОЦК·Нв·1,355)),

где %НвО_2вена - среднее значение насыщения кислородом смешанной венозной крови человека, 1 и 1,355 - коэффициенты, ПО₂ - потребление кислорода организмом, ОЦК - объем циркулирующей крови, Нв - гемоглобин крови.

%НвО_2вена=1-(ПО_2кг/КЕК_нв),

где %НвО_2вена - среднее значение насыщения кислородом смешанной венозной крови человека, ПО_2кг - потребление кислорода на один килограмм массы тела, КЕК_нв - кислородная емкость гемоглобина.

%НвО_2вена=1-ПО₂/(Нв г/мл·1,355·УО·ЧСС),

где %НвО_2вена - среднее значение насыщения кислородом смешанной венозной крови человека, 1 и 1,355 - коэффициенты, ПО₂ - потребление кислорода организмом, Нв - гемоглобин крови, УО - ударный объем, ЧСС - частота сердечных сокращений.

МОК_мак=(0,141·ОЦК³)-(2,2882·ОЦК²)+(13,253·ОЦК)+0,2403,

где МОК_мак - минутный объем кровообращения, 0,141; 2,2882; 13,253 и 0,2403 - коэффициенты, ОЦК - объем циркулирующей крови.

МОК_мак=(-0,3617·ОЦК³)+(5,0325·ОЦК²)-(19,329·ОЦК)+40,74,

где МОК_мак - минутный объем кровообращения, 0,3617; 5,0325; 19,329 и 40,74 - коэффициенты, ОЦК - объем циркулирующей крови, а среднее значение насыщения кислородом смешанной венозной крови при физической нагрузке определяют по формуле

%НвО_{2вена(нагрузка)}=1-(ПО_{2нагрузка}/(МОК_мак×Нв×1,355)),

где %НвО_{2вена(нагрузка)} - среднее значение насыщения кислородом смешанной венозной крови человека при физической нагрузке, 1 и 1,355 - коэффициенты, ПО₂ - потребление кислорода организмом, МОК_мак - минутный объем кровообращения, Нв - гемоглобин крови.