Способ определения насыщенности крови кислородом Советский патент 1992 года по МПК G01N33/48 

Изобретение относится к диагностической медицинской технике и может быть использовано в клинической и амбулаторной практике.

Степень насыщенности крови кислородом является важным диагностическим признаком. Определение насыщенности крови кислородом S02 производится клинически со взятием пробы крови у пациента или ин- вазивно путем введения датчика в кровяное русло. Например, при исследовании параметров крови (определение процентного со- держания кислорода в цельной крови, концентрации общего гемоглобина крови, концентрации метагемоглобинов) известен метод, использующий измерения коэффициента диффузного отражения Rg и относительного пропускания двух слоев крови толщин. В этом случае показатель поглаще- ния единичной толщины

ап(А) у( АО-In г 12(Я) /(12-И), где И и 2 - толщины двух слоев крови;

у - параметр, определяемый по измеряемому коэффициенту отражения Rg из соотношения

Rg(A ) 0,51- ехр{-5,2у(А )} / 1- 0,48-ехр{-4у(А) } ,

и характеризующий отношение концентраций оксигемоглобина.

Реализация этих методов требует специального оборудования и биохимических препаратов. Вместе с тем в практике анестезиологии, неотложной хирургии, интенсивной терапии, в спортивной и профилактической медицине часто возникает необходимость быстрого и точного определения содержания кислорода в крови в ситуациях, требующих оперативного контроля или угрожающих жизни пациента. В отдельных случаях требуются длительные наблюдения за этим параметром в амбулаторных условиях или на дому.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения насыщенности крови кислородом путем воздействия на участок кожи или биоткани, пронизанной кровеносными сосудами, монохроматическими излучениями с длинами волн AI 660 нм и А2 960 нм, регистрации величины обратного светорассеяния с последующим расчетом.

Недостатком этопгспособа является относительно невысокая точность определения, большая чувствительность к

с

XI

ы X

СО СО О

индивидуальной пигментации кожи, анатомии кровеносных сосудов и промежуточных слоев биоткани. Выбранные длины волн, на которых производится измерение, отвечают преимущественному отражению оксиге- моглобина ( AI 660 нм) и некоторому относительному превышению отражения гемоглобина над оксигемоглобином ( Аг 960 нм). Отношение интенсивностей рассеяния на этих двух длинах волн дает прибли- женное- отношение содержаний гемоглобина и оксигемоглобина в крови.

Если состав рассеянного излучения определяется только этими двумя веществами, то отношение указанных интенсивностей позволяло бы определять с точностью 5% отношение концентраций оксигемоглобина и гемоглобина в диапазоне 0,2-1. Однако в реальных условиях интенсивность рассеяния определяется не только содержанием гемоглобина. Существенный вклад в рассеяние (от 30 до 70%) дает окружающая сосуды биоткань. Это приводит к дополнительному уменьшению диапазона измеряемых интенсивностей и снижению точности.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации окисленного гемоглобина в крови.

Поставленная цель достигается тем, что проводят дополнительное воздействие монохроматическим излучением с длиной волны, удовлетворяющей условию 750 нм Ј Аз 850 нм, и измеряют интенсивность обратного рассеяния на трех длинах волн. Используют воздействие AI в диапазоне 600 нм :Ai 700 нм, используют воздействие А2 в диапазоне 900 нм А2 Ј 1100 нм.

Коэффициенты отражения прочих биологических структур не обладают резонансными свойствами в диапазоне 600-1000 нм. Коэффициент отражения соединительной ткани в этом диапазоне практически постоянен.

Относительный вклад в рассеяние облучаемой ткани, гемоглобина и оксигемоглобина может меняться в широких пределах в зависимости от длины волны рассеиваемого излучения и индивидуальных особенностей организма.

Коэффициенты отражения гемоглобина, оксигемоглобина и облучаемой ткани в выбранных диапазонах длин волн, представляющих особый интерес, приведены в табл.1.

Участок кожи или биоткани, пронизанной кровеносными сосудами, последовательно облучают монохроматическими излучениями с длинами волн Ai ,Aa Аз и

0

5

0

5

0

5

0

5

0

измеряют интенсивности обратного рассеяния на этих трех длинах волн I AI , I A2 ,1 Аз, которые определяются соотношениями

ЬцХ1 + D12X2 + D13X3 I Ai , 1

012X1 + 022X2 023X3 I A2 , V(1)

031X1 + Ь32Х2 + ЬЗЗХЗ I Аз , J

где xi ,х2,хз-рассеивающие объемы оксигемоглобина, гемоглобина и соединительной ткани.

Насыщенность крови кислородом определяется соотношением

Х1

S02 -(2)

5

Х1 + Х2

где Х1,х2,хз - решение системы уравнений

(1).

В прототипе применения рассеянного излучения проводились на двух длинах волн Ai, Аа , а насыщенность крови кислородом вычислялась по формуле

S02 А - BJ ,(3)

где константы А и В выбирались экспериментально.

Этот способ позволяет определить концентрацию кислорода с относительной точностью 10% только в том случае, когда измеряемая величина больше 40% и значение гематокритан лежит в пределах 30- 50%.

В то же время в клинической практике особый интерес представляет повышение точности измерения при малых концентрациях кислорода, так как от этого зависит выбор режима системы жизнеобеспечения и интенсивной терапии.

Как показали расчеты, точность определения параметра S02 для 0 Н Ј 0,9 не хуже 5%, в том числе при малой насыщенности кислородом.

Предложенный способ, использующий воздействие на участок кожи или биоткани монохроматического излучения на трех частотах, а не на двух, как это было в прототипе, позволяет повысить точность определения насыщенности крови кислородом при одновременном смягчении требований к когерентности монохроматического излучения.

Ошибки определения параметра S02 имеют систематический и флуктуационный характер.

Систематическая ошибка в прототипе объясняется погрешностью аппроксимации нелинейной кривой с помощью прямой (3). Наибольшие отличия кривых наблюдаются на краях интервала, когда S02 0 и S02 100%. Эта ошибка приводит к уменьшению динамического диапазона измеряемых параметров. В предлагаемом способе аппроксимация нелинейной функции осуществляется дробно-линейной функцией (2), позволяющей повысить качество аппроксимации.

Флуктуационная ошибка обусловлена анатомическим различием исследуемых органов. Измерение на двух частотах позволяет определить концентрацию двух веществ - гемоглобина и оксигемоглобина. В то же время в поглощение и обратное рассеяние монохроматического излучения вносит вклад биоткань. Ее оптические свойства меняются от одного пациента к другому, что приводит к дополнительной ошибке измерения. Предложенный способ позволяет полностью исключить влияние неселективной биоткани. На практике это приводит к значительному сокращению флуктуацион- ной ошибки.

Результаты клинических испытаний двух и трехчастотных оптических оксимет- ров приведены в табл.2.

Как видно из таблицы, трехчастотный способ определения S02 позволяет в среднем снизить погрешность в 2,5-3 раза.

Формула изобретения

0

5

0

1.Способ определения насыщенности крови кислородом путем воздействия на участок кожи или биоткани, пронизанной кровеносными сосудами, монохроматическими излучениями с длинами волн At 660 нм и Аа 960 нм, регистрации величины обратного светорассеяния с последующим расчетом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, проводят дополнительное воздействие монохроматическим излучением с длиной волны, удовлетворяющей условию 750 нм Аз 850 нм, и измеряют интенсивность обратного рассеяния на трех длинах волн.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что используют воздействие AI в диапазоне 600 нм 700 нм.

3.Способ по п.1, отличающийся тем, что используют воздействие Аг в диапазоне 900 нм Аг$ 1100 нм.

Использование: медицина, медицинская техника, клиническая и амбулаторная практика. Сущность изобретения: участок кожи или биоткани облучают монохроматическим излучением трех длин волн: 600 нм Ј AI Ј 700 нм; 900 1100 нм; 750 нм 850 нм. Регистрируют величины обратного светорассеяния с последующим расчетом, 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Таблица

Таблица2