Министерство образования Российской Федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА
А.В. ...
223 downloads
465 Views
2MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
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
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 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" при изучении дисциплин "Медицинские 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
2
Содержание Введение………………………………………………………………..
6
I Фотометрические методы в экспресс-диагностике ……………….
8
1.Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности приперитоните…………………………………………………… 1.1.Введение в проблему диагностики перитонита……………….. 1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования……………….…………………… 1.3. Методы и технические средства измерения отражения от различных объектов, в том числе биологической природы…. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины………… 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового потока с исследуемой биофизической средой……………. 1.3.3. Отражение света……………………………………………. 1.3.4. Простая шероховатая поверхность……………………….. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства……………………………………………. 1.4.1. Типовые функциональные узлы фотометрических ИП….
8 8 13 17 17 18 23 27 28 33
2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей………… 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов……. 2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм агрегации эритроцитов…………………………………………… 2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов……………… 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капилляре……………………………………………………………… 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов……………………………………………………. 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ………………………….. 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в динамике………………………………………………………. 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрегационных свойств клеток крови………………………………… 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ……………. 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микроскопическом наблюдении………………………………….. 2.6.3.Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови…………………………………………………………. 2.7. Методы измерения реологических свойств крови…………….. 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ……………….
61 64 65
3. Фотоплетизмография………………………………………………
69
37 37 41 43 48 51 51 53 56 57 61
3
3.1. Введение в фотоплетизмографию…………………………….. 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа…. 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем ……. 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода……………………………………….
69 73 73 81
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 мозгового кровообращения……………………………………… 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии……. 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы…………….. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений…………………………………………… 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 отведений из ортогональных отведений векторкардиографии……… 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортогональных……………………………………………………. 3. Искусственная вентиляция легких 3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности……… 3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недостаточности……………………………………………………. 3.1.2.Клинические признаки острой дыхательной недостаточности………………………………………….. 3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиляции легких……………………………………………………… 3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания… 3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической стимуляции диафрагмального дыхания…………………….. 3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П…………………………
86 88 91 93 95 98 103 103 104 106 108 109 110 112 114 117 118 119 120 122 122 123 123 126 4
3.4. Использование реографических методов для оценки интенсивности дыхания……………………………………………….
127
III Электрохимические методы 1.
Определение показателя кислотности в желудке и двенадцатиперстной кишке…………………………………………………… 1.1. Постановка проблемы измерения рН……………………….. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ…………. 1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электрометрической 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 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 детоксикации…………………………………………………………….. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации……………….. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиализа……………………………………………………………. 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга…….. 2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств…. 2.5.2. Типы биосенсоров мочевины……………………………. 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………………………………………………………..
129 129 131 133 134 134 138
140 140 143 144 147 147 156 156 158 162 166 166 168 169 173 174
5
Введение Процесс подготовки творчески мыслящего инженера, связанного с областью биомедицинского электронного приборостроения, невозможен без воспитания и развития у него в студенческие годы интереса к самостоятельной 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 проектирование. Это объясняется тем, что именно при выполнении задания на проектирование ему впервые приходится заниматься теоретическими и экспериментальными исследованиями порой по новой для него тематике. В этой связи особую актуальность и значимость приобретают выпускаемые тематические учебные пособия, охватывающие различные области знаний в соответствии с требованиями ГОС на специальность т.к. на сегодняшний день невозможно представить медицину без применения электронной медицинской диагностической аппаратуры. Одной из основных задач медицинского контроля за состоянием человека является диагностика состояния здоровья с целью выявления патологических процессов, наличие инфекций в организме, предрасположенность к патологиям и прогнозирование их развития. Специалисты, а особенно студенты медико-инженерных специальностей испытывают недостаток в технической литературе, в которой последовательно раскрыты этапы проектирования диагностического оборудования. В помощь студентам предлагается данное учебнометодическое пособие. Оно составлено на основании опыта, накопленного авторским коллективом при руководстве и выполнении дипломного проектирования. Основное внимание в пособии уделено области диагностических методик, базирующихся на уникальных медицинских приборах, нестандартном лабораторном и диагностическом оборудовании. Это обусловлено спецификой реальных тематик и задач, предлагаемых медицинскими лечебными учреждениями г. Казани и РТ. и РФ в рамках совместной научной деятельности. В первом разделе учебного пособия рассмотрен ряд фотометрических и спектрофотометрических устройств, применяемых в хирургических диагностических и лабораторных исследованиях. В первой главе представлен фотометрический анализатор, который позволяет определить состояние брюшной стенки и санирующей жидкости при перитоните, даны основные методы и средства измерения диффузного и зеркального отражения различных объектов, в том числе и биологической природы. Представлена структурная схема устройства. В рамках главы "Фотометрия в оценке гемореологических показателей" рассмотрены основные реологические свойства крови и математи6
ческая модель седиментации эритроцитов в капилляре, различные лабораторные способы исследования СОЭ, в том числе экспресс-методы и функциональные схемы соответствующих устройств. Динамику восстановления кровотока и перистальтической деятельности в послеоперационном периоде предложено оценивать по фотоплетизмографической методике. В главе проводится оптимизация параметров оптической части фотоплетизмографа. Второй раздел посвящен электро-контактным методам. В нем анализируются методики реоэнцефалографии, механизмы формирования реоэнцефалограммы; основные принципы метода вектокардиографии, применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведений векторкардиографии. Проводится исследование патоморфологии искусственной и вспомогательной вентиляции легких, а также представлен материал по использованию реографических методов для оценки интенсивности дыхания, а также методика проведения электрической стимуляции диафрагмального отдела. В третьем разделе описаны электрохимические методы, частности рассмотрены 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 свидетельствует о развитии в полости патологических процессов различной природы и может быть рассмотрено в качестве дополнительного источника диагностической информации. Учебное пособие органически дополняет лекционный материал и даёт возможность студенту проявить индивидуальность в подходах к самостоятельному решению поставленных задач. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и занимающихся изучением и разработкой медицинского диагностического оборудования.
7
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, постоянное расширение возможностей лекарственной терапии и совершенствование техники оперативного вмешательства, перитонит остается основной причиной летальных исходов у больных хирургического профиля. Летальность при распространенном гнойном воспалении брюшины колеблется, по данным отечественных и зарубежных авторов, от 20 до 50%, а при послеоперационном перитоните достигает 45—92,8% и не имеет тенденции к снижению. 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 воспалением брюшины. Во многом течение и исход гнойного перитонита определяются санацией брюшной полости во время операции и в послеоперационном периоде. Не меньшее значение в лечении перитонита придается методам выведения токсинов из организма, поскольку после устранения источника перитонита воспаление брюшины сразу не обрывается и длительное время остается 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 причиной перитонита, острый аппендицит имел место в 39% случаев. Часто выявлялись такие заболевания, как острый холецистит, острый панкреатит, гнойные гинекологические заболевания, перфоративная язва желудка и двенадцатиперстной кишки, травматические повреждения органов брюшной полости, злокачественные опухоли с перфорацией органов и т. д. (табл. 1.1.). В структуре нозологических форм заболевания у больных с ограниченными формами перитонита преобладали острый аппендицит, острый холецистит, гинекологическая патология. Общеизвестно, что никакой другой показатель, кроме показателя поздней госпитализации, не играет решающей роли в развитии перитонита, его распространенности и запущенности.
8
Таблица 1.1. Распределение больных в зависимости от формы заболевания и распространенности перитонита Нозологическая форма за- Всего больных Ограниченный болевания перитонитом перитонит Абс. абс. % % Острый аппендицит 714 39,0 585 31,9 Ущемленная грыжа 92 5,0 13 0,7 Прободная язва желудка и 162 8,9 8 0,4 двенадцатиперстной кишки Острый холецистит 210 11,5 111 6,2 Острый панкреатит 65 3,6 28 1,5 Острая кишечная непрохо97 5,3 26 1,4 димость Перфоративная опухоль же65 3,6 7 0,4 лудка и кишечника Гинекологическая патоло161 8,8 115 6,3 гия Травма органов живота 108 5,9 50 2,7 Послеоперационный тонит Всего
пери-
Распространенный перитонит абс. % 129 7,1 79 4,3 154
8,4
99 37
5,4 2,0
71
3,9
58
3,2
46
2,5
58
3,2
155
8,4
9
0,5
146
7,9
1829
100
952
52,1
877
47,9
Классификация перитонита на протяжении многих лет претерпела довольно много корректив. С выделением фаз развития эндогенной интоксикации 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 следующих критериях: 1) источник перитонита; 2) характер перитонита; 3) распространенность перитонита; 4) стадия заболевания, тесно связанная со сроком от начала заболевания. 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 классификации перитонита характер экссудата при перитоните не описан. Многолетние наблюдения за больными, анализ статистического материала дают основание утверждать, что гнойный перитонит протекает менее тяжело, чем каловый или смешанный. Если при гнойном перитоните решающим фактором для благоприятного прогноза является срок начатого лечения, то при каловом или смешанном перитоните даже рано начатое лечение не гарантирует от многочисленных осложнений и летального исхода. 9
Распространенность перитонита определяет течение и исход острых абдоминальных заболеваний. Для ограниченного перитонита характерны выраженные воспалительные изменения висцеральной и париетальной брюшины в пределах одной анатомической области брюшной полости. Для распространенного перитонита типично вовлечение в воспалительный процесс всех анатомических этажей и органов брюшной полости, проникновение патологического экссудата в малодренируемые пространства верхнего этажа брюшной полости. До последнего времени выделяли три фазы острого перитонита: реактивную, токсическую и терминальную. От степени компенсаторных возможностей в значительной мере зависит необходимость применения комплексной интенсивной терапии в пред- и послеоперационном периодах. Для достижения этих целей выбрано цифровое деление стадий перитонита: I, II, III, IVA и IVБ. Клинически выделенные стадии характеризуются определенными признаками. Стадия I перитонита (первые 6—8 ч) отличается тем, что при перитоните любого характера возможно относительно безопасное наложение анастомозов. Она характеризуется выраженными болевым синдромом, дисфагией, слабовыраженным парезом, температурной реакцией соответственно объему деструкции в брюшной полости, высоким лейкоцитозом (в среднем 12,8•109/л), небольшим отклонением лейкоцитарного индекса интоксикации(ЛИИ) (в среднем 2,4), соответствует эндогенной интоксикации 1 степени. 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 свыше 100 в минуту, стабильно высокой температурой, нарастающим парезом кишечника (перистальтические волны характеризуются резким резонансом); остается высокий лейкоцитоз (в среднем 15,6•109/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 эндотоксического шока и развития полиорганной недостаточности, характеризующаяся наряду с приведенными симптомами преходящим психозом, нестабильной гемодинамикой, одышкой, рвотой застойной жидкостью, стойким парезом кишечника, невысоким лейкоцитозом (в среднем 9•109/л); соответствует эндогенной интоксикации III степени. Стадия IV острого перитонита (48—96 ч) — это стадия прогрессирующей полиорганной недостаточности. СТАДИЯ IVA (48—72 ч) — это стадия компенсации, для которой характерны: иктеричность кожных покровов и склер, психоз, низкие показатели гемодинамики, одышка, понос. Стадия IVБ (72—96 ч) — стадия декомпенсации: клинические симптомы те же, что и в стадии IVA. 10
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
Ограниченный
Распространенный
Стадии перитонита
I
II
III
IV А Б
Рис.1.1. Клиническая классификация перитонита (схема) Выделение этих стадий несколько условно в тех случаях, когда они рассматриваются изолированно от других признаков классификации острого перитонита. Клиническая практика убеждает, что даже при ограниченном перитоните могут развиться поздние стадии острого перитонита. На рис.1.1. приведена схема предложенной классификации. 11
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 вмешательств, 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 ускоренной бактериологической диагностики и контроля эффективности антибактериальной терапии. Восстановление нарушенных функций жизненно важных органов и систем. Проблема лечения запущенных ограниченных и распространенных форм перитонита остается ведущей в хирургии. Изучение особенностей течения перитонита, эндогенной интоксикации и других факторов, влияющих на исход этой патологии, несколько изменило взгляд на задачи комплексного лечения перитонита. Во-первых, изменился критерий «экстренности» операций при перитоните: на первый план выдвинута необходимость адекватной предоперационной подготовки. Во-вторых, открылись новые перспективы в применении хирургической коррекции перитонита за счет различных вариантов лапаростомии. В-третьих, постоянно совершенствуются и расширяются показания к комплексной внеорганной детоксикации. В-четвертых, наметились и продолжают совершенствоваться оптимальные пути антибактериальной терапии. Оставив прежними основные принципы лечения больных перитонитом, можно сформулировать следующим образом задачи современной комплексной терапии: 1) экстренная адекватная предоперационная подготовка до стабилизации гемодинамики и ликвидации или уменьшения сгущения крови, разгрузка верхних отделов желудочно-кишечного тракта (срок предоперационной подготовки может продолжаться до 2—3 ч); 2) операция, направленная на ликвидацию источника перитонита, профилактику его прогрессирования и адекватное дренирование брюшной по12
лости; 3) совершенствование методов послеоперационной санации брюшной полости и профилактика хирургических осложнений, комплексное применение методов внеорганной детоксикации; 4) комбинированная антибактериальная терапия; 5) коррекция гомеостаза, иммунных нарушений и восстановление функции кишечника. В комплексе меняющихся задач лечения больных перитонитом разрабатываются основные принципы рациональной терапии на каждом этапе лечения.
1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования Принципиальное отношение к выбору способа санации брюшной полости при различных формах перитонита определяется необходимостью снижения степени эндогенной интоксикации. Результаты микробиологических исследований свидетельствуют о существенном влиянии различных способов дренирования и санации брюшной полости на течение одного из компонентов 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 интоксикации сравнивали две группы больных: с активным дренированием брюшной полости и с активным дренированием и этапными санациями. Исходный уровень показателей свидетельствует о тяжелой степени эндогенной интоксикации у больных 1-й и 2-й групп. В дальнейшем на 3—4-е сутки лечения при активном дренировании брюшной полости имеется минимальная динамика — уменьшение показателей протеолитической и антитрипсической активности крови. В большей степени эти изменения следует отнести не к непосредственному влиянию способа дренирования, а к проводимой инфузионно-трансфузионной терапии. На 5—7-е сутки лечения отмечено более выраженное снижение в крови больных числа средних молекул — почти в 2 раза по сравнению с исходными показателями, уменьшение количества некротических тел до 37,1±0,8 ед./мл, снижение показателя циркулирующих иммунных комплексов крови до 74,2±0,04 усл.ед., протеолитической активности крови в 2 раза по сравнению с исходными показателями [4,7±0,4 мкг/(мл-ч)]; однако почти не менялся показатель антитрипсической активности крови, который достигал 3,13±0,01 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 лечения в 2 раза снижались показатели протеолитической и антитрипсической 13
активности крови больных—4,1±0,3 мкг/(мл-ч) и 2,7±0,02 мг/мл соответственно. При снижении активности распада полинуклеопротеидов, достигающих в крови в 2 раза меньшего уровня, чем в начальном периоде заболевания (38,6±0,06 ед./мл), оставался активным процесс агрессивного воздействия протеиназ на белковые структуры организма, в результате чего наблюдался высокий уровень средних молекул (0,691±0,002 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 протеолитической и антитрипсической активности крови пришли к исходному нормальному уровню. Таким образом, различные способы дренирования брюшной полости, оказывая существенное влияние на течение микробного компонента эндогенной 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 уровень распада полинуклеопротеидов и в меньшей степени — на степень катаболических процессов в печени при наличии патологических иммунных комплексов и аминокислот. Выявленные при лапаростомии данные свидетельствовуют о том, что париетальная и висцеральная брюшина в различной степени реагировали на раздражитель. При этом важное значение имела распространенность воспаления. При проведении цитологических исследований мазков-отпечатков с брюшины при лапаростомии или из отделяемого брюшной полости в 1—2-е сутки после операции в мазках наблюдалась выраженная микробная обсемененность за счет ассоциаций микрофлоры. Несмотря на проводимую активную санацию брюшной полости, характер воспалительной реакции мало отличался и незначительно зависел от особенностей дренирования брюшной полости. Тяжесть течения эндогенной интоксикации сопровождалась высоким исходным уровнем некроза, дистрофией нейтрофилов при применении неподвижных дренажей. Этапная санация способствовала более быстрому удалению патологических клеточных элементов, но такие показатели, как некроз и дистрофия нейтрофилов, незначительно отличались от показателей у больных 1-й группы. Между клеточными элементами, в микро- и макрофагах содержалась в большом количестве кокковая флора. Характерна картина незавершенного фагоцитоза стафилококков при низком содержании мононуклеарных элементов, при этом полностью отсутствовала фибробластическая реакция, а число макрофагов в обеих группах не превышало 1,4±0,2%. В мазках наряду с нормальными лейкоцитами выявлялись нейтрофилы с клеточным цитолизом, отмечено дегранулирование нейтрофилов, выпадение гранул за пределы клетки, распад имеющейся кокковой микрофлоры происходил вне нейтрофила. Таким образом, все существующие современные способы применения неподвижных дренажных систем могут дать ожидаемый эффект в ранних 14
стадиях острого перитонита. Применение неподвижных дренажных систем при запущенных перитонитах, начиная с периода образования в брюшной полости фибрина, должно сопровождаться дополнительным лечебным воздействием 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 эвакуировать большое количество экссудата и быстрее удалять микрофлору. Проследить динамику изменений брюшины и внутренних органов представляется 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 заболевания, в которой выделяется 2 фазы: раннюю – до 12 ч и позднюю – свыше 12 ч. В ранней фазе реактивной стадии обычно наблюдается серознофибринозный 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 серознофибринозное воспаление брюшины с характерными резкими нарушениями микроциркуляции в виде стаза, ритроцитарных агрегатов и тромбов в сосудах микроциркуляторного русла. Наблюдается отек брюшины, образование на ней фибринозной пленки, умеренная лейкоцитарная инфильтрация, небольшое число макрофагов и лимфоцитов. При этом фагоцитоз бактерий выражен незначительно. Для токсической стадии острого разлитого перитонита характерны следующие признаки: гнойно-фибринозный экссудат, нарастание интоксикации, прогрессирующее нарушение микроциркуляции не только в брюшине, но и во внутренних органах, включение в воспалительный процесс иммунных реакций, усиление лейкоцитарно-макрофагальной инфилтрации брюшины, появление в крови и в инфильтрате значительного числа дистрофически измененных 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 характеризуется гнойно-фибринозным воспалением брюшины с выраженным некротическим компонентом, гнойными тромбофлебитами и тромбоартериитами 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.
15
В зависимости от стадии перитонита брюшная стенка постоянно меняет свой вид, в том числе меняется и цвет. Цвет брюшины меняется от сероватожелтого до синюшно-красного оттенка (табл. 1.2). Динамика изменения цвета брюшной стенки в зависимости о патологии Таблица 1.2. Фаза перитонита 1 фаза (1 сутки) реактивная стадия 2 фаза (2-3 сутки), токсическая стадия 3 фаза (4-7 сутки), терминальная стадия
Вид экссудата Серознофиброзный экссудат Гнойнофиброзный экссудат Гнойнофибринозный экссудат (до 2 литров)
Цвет брюшины Тусклая, гиперемированная, отечная, умеренное количество фибринозных наложений, цвет серовато-желтого оттенка Брюшина отечного красного цвета, на поверхности видны грубые гнойно-фиброзные наложения Брюшина тусклая, грязно-серого цвета, с множеством кровоизлияний. Сероватые участки чередуются с синюшно-красными, иногда с серовато-красными очагами.
Таким образом, при перитоните в экссудате брюшной полости присутствует микрофлора и ряд клеток: мезотелиальные, лимфоциты, ретикулярные клетки, плазматические клетки и миелоидные элементы. Наличие микрофлоры в экссудате брюшной полости незначительно влияет на оптические параметры санирующей жидкости, что затрудняет ее обнаружение при помощи оптических методов исследования. В свою очередь клетки легко обнаруживаются в санирующей жидкости при помощи оптических методов исследования, где они присутствуют как во взвешенном, так и в растворенном состоянии. 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 естественное строение и вид становиться тусклой, на ней появляются налеты фибрина, мелкие кровоизлияния; на 5-7-й день брюшина приобретает вид обширной раневой поверхности. Такие изменения можно подтвердить при помощи оптических методов исследования.
16
1.3. Методы и технические средства измерения диффузного и зеркального 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, происходит 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 видимого спектра, а другая часть поглощается. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины Фотометрией называют раздел физической оптики, охватывающий теорию 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 одновременно волновыми и квантовыми свойствами. Волновые свойства обусловлены тем, что лучистая энергия представляет собой электромагнитные волны. Квантовые свойства характеризуются изменением лучистой энергии определенными порциями — квантами. Светом называется тот вид электромагнитного излучения, который вызывает зрительное ощущение. Электромагнитная теория света установила единство физической природы всех видов излучений — единый электромагнитный спектр. Этот спектр с длинами волн от 1 • 10-11 до 3 • 1010 см условно разбили на отдельные области от гамма - лучей до низкочастотных колебаний (источниками последних являются промышленные генераторы переменного тока). Видимые лучи занимают в электромагнитном спектре самый узкий участок (от 380 до 780 нм). Излучения так называемой оптической области спектра простираются от ультрафиолетовой области радиации (~ 1,0 нм) до инфракрасных излучений с длиной волны до 1 мм. Всякое сложное излучение представляет собой совокупность монохроматических излучений. Монохроматическое излучение характеризуется длиной волны λ или частотой υ и волновым числом. Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением 17
υ=
с
λ0
,
(1.1)
где с — фазовая скорость распространения излучения в вакууме, которая постоянна для монохроматических излучений всех частот; λ0 — длина волны излучения в вакууме. В любой другой среде длина волны λ зависит от показателя преломления среды п. λ=
λ0 n
.
(1.2)
Показатель преломления п есть отношение фазовых скоростей распространения излучения в вакууме и в данной среде: n=
c
υ
.
(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 лучистым потоком. Следовательно, лучистый поток есть мощность переноса лучистой энергии. Лучистый поток характеризуется спектральным составом, а лучистая энергия и связанные с ней величины — энергетическими и светотехническими единицами в зависимости от спектрального состава излучения и от особенностей приемника излучения. Если приемник одинаково реагирует на лучистую энергию в широком участке спектра, то пользуются энергетическими величинами. Такой приемник называется неселективным. Если реакция приемника зависит от спектрального состава лучистой энергии, то его называют селективным, и в этом случае выбор единиц измерения 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 исследуемой биологической средой (ИБС), в результате которого изменяются параметры светового потока. В сложных полидисперсных гетерогенных растворах ИБС эти изменения для разных компонентов различны, что и позволяет получать информацию о наличии компонента, его количестве или соотношении компонентов в растворе путем измерения параметров световых потоков, прошедших через ИБС или отраженных от нее. 18
При выборе принципов построения оптических измерительных преобразователей (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 реакции). Это влияние связано с поглощением света, которое происходит в большинстве случаев избирательно. Поэтому при разработке оптических ИП необходимо 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 измерения может быть различным. 2. Эффект воздействия света зависит от общего потока энергии излучения, падающего на ИБС со всех направлений. В связи с этим результат измерений может существенно зависеть от рассеянного света (фона), создаваемого другими источниками измерения или отражающей поверхностью ИБС. 3. При разработке оптических ИП для исследования полидисперсных БС необходимо учитывать отличие в поглощающих свойствах различных дисперсных 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 сопровождается фотохимическими и фотоабсорбционными процессами, а также электрическими эффектами. Для уменьшения или учета их влияния на результат измерения необходимо применять специальные методические и инструментальные методы и меры. Анализ зависимостей, устанавливающих связь информативных параметров потока с исследуемыми свойствами и составом БС проведем на основе картины взаимодействия падающего светового потока на ИБС (рис. 1.2.). Ф0 Ф1 Ф2
Исследуемая биологическая среда Ф3 Ф4
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 ρзерк = Ф2/Ф0 , 19
поглощения α= Фп/Ф0, ρ до = Ф1/Ф 0 , рассеянного (диффузионного) отражения рассеянного (диффузионного) пропускания ρдп = Ф3/Ф1, направленного пропускания ρнп = Ф4/Ф0, где Ф0 – падающий на границу сред световой поток, Ф1 – световой поток диффузионного отражения, Ф2 – отраженный световой поток, Ф3 – световой поток диффузионного пропускания, Ф4 – световой поток направленного пропускания. При этом баланс световых потоков и характеризующих их коэффициентов определяется выражениями: Ф0 = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Фп ,
(1.4)
ρзерк + ρдо + ρнп + ρдп + αп = 1 .
(1.5)
В большинстве случаев одна из составляющих светового потока отсутствует. Например, для прозрачных сред принято исключать Ф1 и Ф3 , а для сильно поглощающих сред - Ф3 и Ф4. Поглощение и рассеяние светового потока происходит практически всегда избирательно. Поэтому количественная характеристика поглощения определяется при использовании монохроматического оптического излучения или излучения со строго фиксированным спектральным составом излучения. В основе принципа действия абсорбционных спектрофотометров лежит закон Бугера - Ламберта: Ф = Ф0 еxp(- кλl) ,
(1.6)
где кλ - коэффициент погашения (экстинкции), l - толщина слоя ИБС, пересекаемая световым потоком. Если учесть отражение светового потока на границах ИБЖ, то выражение примет вид: Ф = (1 - ρ)2Ф0 ехр(- кλl) ,
(1.7)
где ρ - коэффициент отражения. Поправка на отражение может достигнуть порядка десяти процентов. Закон Бугера - Ламберта можно записать в других формах: ln (Ф0/Ф) = кλl lg (Ф0/Ф) = кλ`l,
или
(1.8) (1.9)
где кλ` = кλ / 2,303 - коэффициент погашения. Этот закон выполняется с высокой степенью точности для большинства 20
веществ при изменении освещенности до 1020, а для флуоресцирующих и фосфоресцирующих веществ закон нарушается. Это приводит к необходимости в лабораторной практике учитывать возможность влияния этих эффектов при исследовании жидкостей, содержащих фотолюминесцирующие пигменты. При изучении поглощения света растворами было установлено, что коэффициент поглощения пропорционален концентрации с поглощающего вещества: кλ`= сЕλ ,
(1.10)
где Еλ- молекулярный коэффициент погашения, зависящий от свойств отдельной молекулы исследуемого вещества. Если в выражение (1.7) подставить зависимость (1.10), то основной закон абсорбционной фотометрии примет вид: Ф = Ф0 10 -сЕλl
или
(1.11)
lg (Ф0/Ф) = сЕλl = Dλ , где с - концентрация, моль / г, Dλ - оптическая плотность. Dλ = lg (1/τ λ) = -lg(τ λ ) ,
(1.12)
где τ λ - 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 τ λ или оптическую плотность: Dλ = -lgτ λ , где
(1.13)
τ λ = Ф/ Ф0 , Фп - поток, прошедший через исследуемую БС, Ф0- падающий поток. Важнейшим свойством при использовании абсорбционных измерителей является аддитивность величины Dλ, которая позволяет при исследовании БС, представляющих смесь «n» химически не реагирующих между собой веществ, записать: n
n
i=1
i=1
lg (Ф0/Ф) = ∑ lg (Ф0/Фi) = ∑ Dλi , го
(1.14)
где Фi - интенсивность светового потока, прошедшего через раствор iкомпонента смеси, Dλi - величина оптической плотности i-го компонента 21
раствора. Приведенные выше зависимости справедливы для монохроматического излучения. В случае использования полихроматического излучения, содержащего электромагнитные волны с длиной в диапазоне от λ1 до λ2 , падающий лучистый поток Ф0 будет определяться: λ2
Φ 0 = ∫ Φ 0 (λ )∂λ ,
(1.15)
λ1
а интегральный коэффициент пропускания: λ2
λ2
λ1
λ1
τ = [ ∫ Φ 0 (λ )τ (λ )∂λ ] / [ ∫ Φ 0 (λ )∂λ ] ,
(1.16)
где Ф0 (λ) - спектральная характеристика излучения. Величина светового потока, прошедшего через слой вещества: Ф=
λ2
∫
Ф0(λ)ехр(- кλl)dλ
или
(1.17)
λ1
Ф=
λ2
∫ λ
Ф0(λ)10 – к`λldλ
(1.18)
1
Так как коэффициент погашения зависит от длины волны излучения, то коэффициент рассеяния будет равен:
ρ0 =
λ2
∫
λ1
Ф0(λ)ρ(λ)dλ /
λ2
∫
Ф0(λ)dλ
(1.19)
λ1
Аналитически выражения можно записать для коэффициентов отражения ρз(λ) и поглощения α(λ). Следовательно, можно сделать вывод, что регистрируя значения ρ0(λ), α(λ), τ(λ) и ρ3(λ), которые различны для различных веществ, можно оценивать наличие тех или иных веществ в растворе исследуемой БС.
22
1.3.3. Отражение света Отражением света называется явление, которое состоит в том, что свет, падающий на поверхность, разделяющую две оптические среды с различными показателями преломления, частично или полностью возвращается в среду, из которой он падает. Характер отражения света от поверхности зависит от качества ее обработки, материала поверхности, температуры ее и углов падения света на поверхность.
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 (рассеянное) отражение (рис. 1.3, в). Промежуточным видом отражения является направленно-рассеянное отражение, при котором максимум силы света совпадает с направлением зеркального 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 яркость образуют поверхность, которая называется фотометрической поверхностью. В результате сечения фотометрической поверхности плоскостью получается кривая линия, называемая фотометрической кривой, которая характеризует распределение интенсивности в данной плоскости сечения.
23
Для характеристики распределения светового потока в пространстве (в случае рассеянного или полурассеянного отражения) пользуются понятием коэффициента яркости, под которым понимают отношение яркости Lα поверхности в данном направлении к яркости L0 идеально матовой белой поверхности при одинаковой освещенности: rα =
Lα . L0
(1.20)
Общий коэффициент отражения ρ складывается из коэффициентов направленного ρн и диффузного ρд отражений. Согласно определению он всегда меньше единицы. Коэффициент же яркости rα может быть значительно больше единицы. Это иллюстрирует рис. 1.4, где окружность 1 изображает распределение удельной силы света, отраженного идеально рассеивающей поверхностью, а кривая 2 представляет собой кривую полурассеянного отражения 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 отношению векторов, а именно: rОВ =
ОВ ОС и rОD = , ОА ОD
где rОВ > 1, rОD < 1. Коэффициенты яркости зависят от угла падения и поэтому они определяются 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' соприкасающихся сред.
24
По формуле Френеля можно подсчитать ρ для естественного света: 1 ⎡ sin 2 (i − i′)
tg 2 (i − i′) ⎤
, + ρ= ⎢ 2 2 ⎣ sin (i + i′) tg 2 (i + i′) ⎥⎦
(1.21)
где i и i΄ — связаны соотношением n sin i == п' sin i'.
При нормальном падении света формула (1.21) имеет вид 2
1 ⎡ (i − i′) ⎤ ρ= ⎢ . 2 ⎣ (i + i′) ⎥⎦
При малых углах падения, когда in ≈ i΄n΄, получим 2
1 ⎡ (n − n′) ⎤ ρ= ⎢ , 2 ⎣ (n + n′) ⎥⎦
(1.22)
Заметим, что коэффициент отражения на границе двух сред практически не зависит от того, с какой стороны падает свет на границу раздела. При расчетах 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 некоторых 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 рд отражения для некоторых материалов при комнатной температуре приведены ниже: Углекислый магний ............……. 0,97—0,98 25
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 поверхности, которые покрыты тонким слоем металла, нанесенного путем его испарения в вакууме. Коэффициент отражения от металлических покрытий в случае нормального падения лучей определяется по формуле ρ=
(n − 1) 2 + χ 2 , (n + 1) 2 + χ 2
(1.23)
где п — показатель преломления металла; χ - показатель поглощения металла. Потери света на отражение могут быть снижены путем просветления поверхностей. 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 d=
(2 K + 1)λ , 4nс
(1.24)
где К — длина волны; nс — 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 nс = n ,
(1.25)
где п — показатель преломления стекла детали. Значимость просветления заключается не только в том, что уменьшается потеря света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерференции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет. 26
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 рассеивающих элементов много больше длины волны; 3) затенение одних элементов 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 жизнедеятельности в самом организме. Биологические ткани поглощают и рассеивают лучистую энергию, однако принять рассеяние диффузным можно с определенными допущениями. Для того, чтобы рассмотреть динамику взаимодействия потока лучистой энергии с тканями тела, следует учитывать размеры, плотность упаковки и форму. Например, для эритроцитов, на поверхности которых в основном происходит рассеяние света, необходимо учитывать 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 времени 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 характеристиками, распределение эритроцитов в тканях равномерным, форма эритроцитов принимается за круглую, поток – неполяризованным, монохроматичным 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 микрограням 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 запишется так ρ (Ψ,ξ ) = ρ s +
1
π
∫β
ic
cos Θdω r ,
(1.26)
2π
где первый член ρ s — коэффициент зеркального отражения, а второй — коэффициент диффузного отражения в полусфере.
27
Отклонение полного коэффициента отражения от единицы свидетельствует о некорректности модели. Коэффициент отражения в зеркальном направлении выражен формулой, определяемой теорией X. Дэвиса: ρ s = ρ 0e
−(
4πσ
λ
)2
,
(1.27)
где ρ s —коэффициент зеркального отражения исследуемой шероховатой поверхности; ρ 0 —такой же коэффициент гладкой поверхности образца из того же материала; σ—среднеквадратическое отклонение от средней линии профиля; λ — длина волны падающего излучения. Для модели X. Дэвиса единица получается только в области очень малых шероховатостей ( σ / λ ≤ 0,04 ). При больших значениях σ / λ коэффициент отражения превышает единицу и тем значительнее, чем больше отношение параметров. Отсюда следует, что модель X. Дэвиса применима только к поверхностям, у которых размер шероховатостей весьма мал и рассеяние света незначительно. Иначе говоря, расчет по способу X. Дэвиса можно производить только для достаточно гладких поверхностей. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства Оптические ИП основаны на использовании оптоэлектронных преобразователей и характеризуются большим разнообразием конструктивных и схемотехнических решений.
Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного преобразователя: ИИ – источник излучения; ФИ – фоновое излучение; ОС1 – оптическая система введения излучения в измерительный канал; ОС2 – оптическая система введения излучения в канал ОЭП; ОЭП – оптоэлетронный преобразователь (приемник излучения и электронная схема его включения; ИК - измерительная кювета. В общем случае оптические ИП можно представить как показано на рис. 2. Они включают ИИ, оптическую систему ОС1, позволяющую собрать лу28
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 ОС2, включающая элементы и устройства, необходимые для введения светового потока от ИБС (находящейся в кюветах, на предметных стеклах, барабанах с пробирками) в оптический канал приемника излучения, входящего в состав ОЭП. Взаимное расположение этих элементов ИП различно и определяется особенностями метода измерения и свойств ИБС. Поэтому конкретный состав функциональных узлов оптоэлектрического ИП неодинаков часто включает достаточно сложные устройства: Оптические узлы: ОС1, конденсоры, модуляторы, фильтры и другие устройства могут входить в ИИ, а корректирующие оптические фильтры ОС2 - в состав ПИ. В современных оптических измерительных преобразователях ПИ может иметь несколько независимых каналов преобразования излучения в электрическом сигнале. Система фильтров позволяет согласовывать спектральные 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 оптимизацию его основных преобразователей в рамках системы ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ - ИБС – ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. К основным преобразователям оптических ИП относится оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), в качестве которого в начале развития этого класса ИУ применялись электровакуумные ОЭП, а затем полупроводниковые и др. ОЭП. В основе принципа работы ОЭП нашли применение нескольких эффектов: внешний фотоэффект (электроны отрываются от поверхностного слоя при его освещении), внутренний фотоэффект (образование свободных электронов в твердом теле). Существуют ОЭП, реагирующие на изменение интенсивности излучения, его спектрального состава (спектральночувствительные 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, показанных в таблице 1.1. Область спектра Видимая Ультрафиолетовая Короткая ультрафиолетовая Вакуум –ультрафиолетовая
Таблица 1.3. Длина волн λ,нм 800-400 400-200 200-180 100 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, являются 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 объ41
емная концентрация эритроцитов (их содержание и средний объем), называемая гематокритом. Гематокрит, определяемый из пробы крови путем центрифугирования, составляет примерно 0,4 — 0,5 л/л. Плазма является ньютоновской жидкостью, ее вязкость зависит от температуры и определяется составом белков крови. Более всего на вязкость плазмы влияет фибриноген (вязкость плазмы на 20% выше вязкости сыворотки) и глобулины (особенно Y-глобулины). По мнению некоторых исследователей более важным фактором, ведущим к изменению вязкости плазмы, является не абсолютное количество белков, а их соотношения: альбумин/глобулины, альбумин/фибриноген. Вязкость крови увеличивается при ее агрегации, что определяет неньютоновское поведение цельной крови, это свойство обусловлено агрегационной способностью эритроцитов. Физиологическая агрегация эритроцитов — процесс обратимый. В здоровом организме непрерывно происходит динамический процесс «агрегация – дезагрегация», и дезагрегация доминирует над агрегацией. Свойство эритроцитов образовывать агрегаты зависит от гемодинамических, плазменных, электростатических, механических и др. факторов. В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих механизм агрегации эритроцитов. Наиболее известной на сегодняшний день является теория 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 разностью между силой в мостиках, силой электростатического отталкивания отрицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей дезагрегацию. Механизм фиксации на эритроцитах отрицательно заряженных макромолекул: фибриногена, Y-глобулинов — пока не вполне понятен. Имеется точка зрения, что сцепление молекул происходит за счет слабых водородных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса. Существует объяснение агрегации эритроцитов посредством истощения - отсутствия высокомолекулярных белков вблизи эритроцитов, в результате чего появляется «давление взаимодействия», сходное по природе с осмотическим давлением макромолекулярного раствора, что приводит к сближению суспендированных частиц. Кроме этого, существует теория, по которой агрегация эритроцитов вызвана собственно эритроцитарными факторами, которые приводят к уменьшению дзета-потенциала эритроцитов и изменению их формы и метаболизма. Таким образом, вследствие взаимосвязи между агрегационной способностью эритроцитов и вязкостью крови для оценки реологических свойств крови необходим комплексный анализ этих показателей. Одним из наиболее доступных и широко распространенных методов измерения агрегации эритроцитов является оценка скорости седиментации эритроцитов. Однако в своем традиционном варианте этот тест является малоинформативным, так как не учитывает реологические характеристики крови. 42
2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов
С позиции законов физической химии оседание эритроцитов является своеобразной формой оседания суспензий. Кровь представляет собою с физико-химической точки зрения полидисперсную систему, включающую в себя 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 представляют собою истинный раствор. Оседание эритроцитов, таким образом, происходит 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 коллоидов. При этом наиболее существенными моментами являются изменение дисперсности оседающей суспензии и наличие веществ, определяющих нестойкость взвеси. Что касается первого момента, то его выражением при оседании 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 белков; • клинические наблюдения, свидетельствующие о том, что РОЭ повышена обычно при тех болезненных состояниях, при которых наблюдается накопление в крови грубодисперсных белков. При этом следует учитывать неодинаковое значение различных белковых 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, обусловливающего этот процесс (в данном случае фибриногена, являющегося лиофильным коллоидом), но и его количество, что объясняет наблюдающуюся корреляцию между уровнем фибриногена и выраженностью агломерации 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 медленнее. Это также связано с уровнем цифр фибриногена в плазме. Известно также, что в дефибринированной крови оседание эритроцитов почти не на43
блюдается. Таким образом, очевидно, фибриноген является основным веществом, приводящим взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние и обусловливающим ее оседание. В то же время детальное рассмотрение связи между скоростью оседания эритроцитов и уровнем фибриногена показывает, что не всегда она оказывается прямой и постоянной. Можно наблюдать при этом, что при относительно небольших величинах фибриногена у больного констатируется довольно высокая скорость оседания: оказывается, что в таких случаях повышено количество глобулинов; сочетание, особенно высоких цифр, фибриногена и глобулинов сопровождается очень высокой РОЭ. Важно также подчеркнуть, 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 констатируется тормозящая тенденция, а глобулины проявляют свое действие в сочетании с фибриногеном (в дефибринированной крови лишь очень высокие 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: высокоустойчивые частицы того или иного лиофильного золя адсорбируются на поверхности 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 противоположного характера. Оно состоит в том, что прибавление некоторых лиофильных коллоидов к лиофобному не только не увеличивает, но, напротив, понижает порог коагуляции и уменьшает устойчивость этого последнего. Явление это носит название сенсибилизации и заключается в том, что сенсибилизирующий коллоид отнимает от лиофобного адсорбированные на его поверхности стабилизирующие частицы. Поскольку суспензии оседают по законам коагуляции лиофобных коллоидов, все изложенное имеет также прямое отношение к суспензиям. С этой точки зрения влияние альбуминов на оседание эритроцитов может быть интерпретировано как явление защиты; влияние глобулинов — связано с сенсибилизацией: по-видимому, глобулины сенсибилизируют взвесь эритроцитов к влиянию фибриногена. Можно полагать, что при очень больших количествах глобулины также могут выступать в качестве фактора, приводящего взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние, что может объяснить те сравнительно редкие данные эксперимента, когда в дефибринированной крови можно наблюдать оседание эритроцитов. Как следует из изложенного, в основе реакции оседания эритроцитов 44
лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание суспензий является процессом, происходящим во времени; отмечая величину РОЭ, фактически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов, сопровождающуюся более или менее выраженной скоростью ее оседания; это происходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобулинов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве имеются в плазме. Более выраженная устойчивость взвеси эритроцитов 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, объяснить некоторые неясные стороны явления оседания, а с другой - синтезировать 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 защиты и сенсибилизации; в частности, можно рассматривать полипептиды как фактор защиты. С точки зрения явлений защиты и сенсибилизации может рассматриваться также роль различных фракций глобулинов, мукопротеидов, мукополисахаридов и других веществ, описываемых в качестве факторов, играющих роль в механизме оседания эритроцитов. Кровь является естественной сложной дисперсной системой, включающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодействии как между собой, так и с эритроцитами. С точки зрения предлагаемого объяснения механизму реакции могут быть объединены различные теории оседания, как, например, электрохимическая и теория лабильности коллоидов плазмы. В самом деле, процесс коагуляции (седиментации) представляет собою сложное явление, для течения которого помимо явлений защиты и сенсибилизации, имеет значение ряд дополнительных условий. Известно, например, что седиментация наступает в изоэлектрическом пункте коллоида (правило Гарди); существенным является также влияние электролитов и среды, в которой находятся взаимодействующие 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 физикохимических изменений крови. Процесс оседания эритроцитов немонотонен во времени и можно выделить 3 четко выраженных фазы: В I фазе под действием земного притяжения эритроциты медленно оседают отдельными клетками. Эта фаза короткая. 45
Во II фазе, более длительной, происходит склеивание эритроцитов. Они образуют кучки различной величины, которые оседают уже более быстро. Агломерация эритроцитов является основным феноменом оседания эритроцитов. 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 агломераты располагаются очень густо, что замедляет их дальнейшее оседание. Дробным (через каждые 10 мин) регистрированием опускающегося уровня пограничной зоны показано, что при оседание агрегирующихся эритроцитов человека происходит соответственно кривой, изображенной на рис. 1.5.: вначале, в течение нескольких минут, падение медленное, затем оно ускоряется 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 эритроцитов из такой крови в совместимой плазме (лиц с обычной седиментацией) показало, что фактор, задерживающий начало реакции, содержится в эритроцитах, причем задержка сильно зависит от рН и температуры.
Рис. 1.5. S-образная седиментационная кривая; h—толщина слоя плазмы; кружки — значения hi. В начале оседания, т. е. за время от одной до нескольких минут, нет четкой границы раздела между чистой плазмой и оседающими эритроцитами. 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 имеются отдельные эритроциты (или маленькие агрегаты) в весьма малой концентрации, по-видимому, отмытые от стенок трубки вторично после прохода верхней границы эритроцитарного столба, а также вынесенные из эритроци46
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 эритроцитарного остова (сети). При этом вытесняемая плазма пробивает в остове извилистые 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, которые 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 направлении, 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 случайный характер. В наклоненных капиллярах восходящие потоки вполне регулярны (рис. 3) и ускоряют оседание: уже в первые минуты кровь разделяется на слой плазмы и слой эритроцитов по всей длине трубки, и оседание представляет собой сочетание дальнейшего расслоения эритроцитов и плаз47
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 эритроцит 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 физиологическом растворе (вязкость ≈ 10-3 Па ⋅ с, плотность ≈ 10-3 кг/м3) 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 восходящих и нисходящих потоков, это течение сопровождается вращением и флуктуациями 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 агрегации. Таким образом, и экспериментальные исследования, и физикохимическая 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 служит обобщенная формула Стокса в виде: v p − v f = (ρ p − ρ f ) ⋅ g ⋅
kϖ 2 / 3
ηf
(1.38)
где vp(x,t) и vf(x,t) - скорости эритроцитов и плазмы в данный момент времени в данном сечении седиментационной трубки; ρp и ρf - истинные плотности эритроцитов и плазмы; η - вязкость плазмы; k - коэффициент, зависящий от среднего размера и формы эритроцитарных агрегатов и их объемной концентрации H, характеризующий взвесь в сечении x в момент времени t; ω - средний объем одного агрегата; g - ускорение силы тяжести. Формула (1.38) представляет собой следствие закона сохранения количества движения и имеет смысл условие приближенной равномерности (квазистационарности) движения. Формула (1.38) превращается в формулу Стокса для сферической частицы, падающей в безграничной среде, когда vf = 0 и 48
k = (6π)-1⋅(4π/3)1/3. Соотношение (1.38) содержит неизвестные функции от x, t: скорости p v (x,t) и vf(x,t), H и N = H/ω, где N – числовая концентрация агрегатов. Связь между vp(x,t) и vf(x,t) дается законом сохранения массы смеси, т.е. в данном случае формулой v p H + v f (1 − H ) = 0 и поэтому: v p = (ρ p − ρ f )g
kH 2 / 3 (1 − H ) , η f N 2/3
(1.39)
С позиции общей теории оседание (как относительное движение фаз в смеси) представляет собой диффузию, вызванную несобственным беспорядочным движением частиц, а действующей на них внешней силой. Формула (1.39) есть определяющее соотношение для двухфазной среды, 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 эритроцита (форму, объем, площадь поверхности, мембраны, деформируемость). Диапазон практической применимости в этом случае существенно расширяется. С этой точки зрения интересной является модель, предложенная И.В.Ямайкиной и Э.В.Ивашкевичем. Математическая модель седиментации эритроцитов построена при исходных допущениях: 1. Оседание происходит «единым фронтом», без деления на зоны; 2. Концентрация эритроцитов в столике постоянна по всей высоте и в каждый данный момент зависит только от длины столбика и исходной концентрации эритроцитов; 3. Оседающие частицы можно считать сферическими; 4. Для каждого отдельного эритроцита или агрегата вся остальная среда представляется сплошной с некоторыми усредненными значениями плотности Δρ(H0) = Δρ(1-H0) и вязкости η(H0) = η(1 + αH02); 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 времени t скорость частиц на границе раздела будет выражаться как ⎛ H h ⎞ A ⋅ ⎜⎜1 − 0 0 ⎟⎟ h(t ) ⎠ ⎝ , v(t ) = α H 0 2 h0 2 1+1− h 2 (t )
(1.40)
49
где H0 – объемная концентрация эритроцитов; h(t) – высота столбика оседающих эритроцитов; H0 – предельная высота столбика осевших эритроцитов; α - реологический параметр; t – время; А – скорость падения эритроцита в вязкой жидкости (Re 7 единиц. Пятнадцать лет спустя с развитием термодинамической концепции ионной активности определение Sorensen было изменено, и сегодня рН определяют как логарифм активности ионов водорода, взятый с обратным знаком. Активность ионов равна их концентрации только в том теоретическом случае, когда в исследуемом растворе отсутствуют другие ионы. При добавлении в раствор одних ионов одновременно в него добавляются и другие ионы, противоположного заряда. Взаимодействие между двумя видами ионов приводит к изменению активности обоих, хотя их концентрация не изменяется. Поэтому пересчет показателей рН, которые отражают активность ионов водорода в концентрацию может производиться только приблизительно. В 1909 году Sorensen впервые использовал для измерения рН электрохимические 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 кислотообразовательной функции ЖКТ данным методом разработал Е.Ю. Линар 130
(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 протяжении многих десятилетий посвящено много как научных, так и практических работ. Развитие данной отрасли медицинской науки и практики всецело зависело от достижений в других областях — биохимии, технике, электронике и т.д., что и отразилось на технике, технологии и методологии исследовании 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 ионообменных смол (ацидотест, гастротест), метиленовой синью, по уропепсиногену и т.д. из-за низкой информативности и достоверности не нашли широкого применения в практике, хотя и освобождали пациента от многих психоэмоциональных нагрузок. Второй путь — зондовые, аспирационные, титрационные методы от одномоментного зондирования по Боасу-Эвальду до многофракционного зондирования. Но все виды аспирационно-титрационных методов зондирования не отражают действительного состояния кислотообразующей функции желудка пациента, хотя еще и находят в различных модификациях практическое применение. Основным недостатком метода отсасывания и титрования желудочного содержимого является то, что исследование общей смеси секретов всех продуцирующих желез желудка и примесей к ней соков верхних и нижних этажей ЖКТ не позволяет проводить динамическое наблюдение за образованием соляной кислоты во время еды и введением физиологических раздражителей или иной фармакологической пробы с целью выявления режима управляемости системой. Отсутствие возможности при титровании с помощью индикаторов определения соляной кислоты в случаях примеси к желудочному соку желчи и крови и неточность самого титрационного метода дает возможность 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 течение 2-х часов с интервалами по 15 минут с учетом базальной и стимулированной фаз секреции позволяет определять объем желудочного сока, общую кислотность, свободную и связанную соляную кислоту. В оценке КФЖ с помощью фракционного исследования ведущее значение имеет определение по специальным формулам часового дебита соляной кислоты в период базальной и стимулированной секреции (табл. 3.2.) (Ивакин В.Т., Кожемякин Л.А., 1974 г.). Однако основной недостаток титрационного метода — низкая чув131
ствительность реактивов-индикаторов и, следовательно, широкий диапазон недостоверных данных — снижают клиническую ценность данного метода. Не нашел широкого применения в клинической практике и метод радиотелеметрической рН-метрии, разработанный в 50-х годах — метод дорогостоящий, 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 мировой медицины занял метод электрометрической рН-метрии, позволяющий измерять активность ионов водорода по величине электродвижущей силы специальных электродов, помещенных в раствор. Этот метод дает возможность более физиологично изучать КФЖ как в аспирированном содержимом, так и внутри желудка, что позволило поднять изучение КФЖ на более высокую ступень. Таблица 3.1. Взаимосвязь между титрационными единицами свободной соляной кислоты и величиной рН желудочного сока рН
Примечания
Свободная соляная кислота
1
150
2
10
2,5
1,0
2.6 3 4 5 6 7 8 9 10 и т.д.
0
0
Гиперацидность: рН от 1 до 1,3, свободная соляная кислота от 60 до 150. Нормоцидность: рН от 1,3 до 1,7, свободная соляная кислота от 20 до 60. Гипоацидность: рН от 1,7 до 2,5, свободная соляная кислота от 1 до 20. Анацидность, устанавливаемая титрационным методом.
Анацидность, устанавливаемая электрометрическим методом.
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 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
H+, мэкв/л 205 182 162 143 127
рН 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45
H+, мэкв/л 68 64 54 48 43
рН 1,70 1,75 1,80 1,90 2,00
H+, мэкв/л 23 21 18 15 11
рН 2.50 2,60 2,70 2,80 2,90
H+, мэкв/л 3,4 2,7 2,1 1,7 1,4 132
1,05 1,10 1,15 1,20
112 98 88 78
1,50 1,55 1,60 1,65
38 33 29 25
2,10 2,20 2,30 2,40
9.0 7,0 5,4 4,3
3,00 3,50 4,00 5,00
1,0 0,3 0,1 0,01
1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электрометрической рН-метрии (рН-зондирование)
Для исследования кислотопродуцирующей функции желудка и ЖКТ используются рН-метрические зонды (далее просто рН-зонды), имеющие в своем составе измерительные электроды (сурьмяные, стеклянные и т.д.) и электрод сравнения (хлорсеребряный или каломельный). Измерительный электрод в паре с электродом сравнения преобразует физико-химический параметр 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 "Исток", 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 принудительного отсасывания содержимого желудка и других отделов ЖКТ, а в регистрирующей системе дополнительных устройств по автоматическому проведению данной манипуляции. Для электрометрического определения рН необходимы: 1. Активный электрод (измерительный электрод), т.е. электрод, обратимый к ионам водорода измеряемой среды (сурьмяный, стеклянный и т.д.). 2. Вспомогательный электрод (электрод сравнения) — для измерения изменений потенциалов электродов, обратимых к ионам водорода (каломельный, хлорсеребряный). З. Установка для измерения ЭДС и сравнения их с ЭДС вырабатываемых рН-зондом в стандартных буферных растворах. Количество измерительных электродов в одном рН-зонде может варьироваться 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 отсутствии дуодено-гастрального или гастроэзофагального рефлюксов. Кроме того, исследование КФЖ с использованием стимуляторов или блокаторов желудочной секреции позволяет более адекватно моделировать индивидуальную лечебную терапию. 133
Важным достоинством внутрижелудочной рН-метрии является возможность индивидуального подбора лекарственных препаратов с учетом их уровней воздействия, эффективность которых оценивается по времени начала ответа рН (время от приема или введения препарата до начала повышения рН), максимальному уровню рН и Δ рН (разница между максимальным и исходным 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 условиях, исключающх влияние отрицательных факторов извне на пациента, в первую очередь, нахождение при процедуре рядом других пациентов (кабинная 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 состоянии 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 ионов водорода (кислотности) содержимого верхних отделов желудочнокишечного тракта. Измерение производится в единицах водородного показателя (рН) при помощи одного из выпускаемых ГНПП "Исток-Система" ацидогастрометров (АГМ-01, "Гастротест", "Гастроскан-5" или "Гастроскан24"). Диапазон измерения кислотности для представляемых зондов от 1,3 до 9,3 рН с погрешностью не более чем 0,5 рН. 2. Устройство зондов 134
Зонд состоит из: • резиновой или полимерной трубки длиной около 1,5—2 м, образующей рабочую часть зонда, внутри которой проходят электрические провода 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, либо выполнен в виде выносной капсулы или диска, подсоединенных к отдельному 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 изготавливаются с использованием резиновой трубки оранжевого цвета, а зонды с хлорсеребряным электродом сравнения изготавливаются с использованием белой или прозрачной трубки из медицинского пластиката. Зонды с защечным электродом сравнения изготавливаются с использованием тонкой пластиковой трубки и используются только для измерения пристеночной кислотности при проведении эндоскопических исследований желудочнокишечного тракта. Дистальный электрод сравнения Корпус этого электрода выполнен из керамики и закреплен на конце трубки. В торце корпуса имеется микроскопическое отверстие, которое невооруженным глазом, как правило, не видно. Оно обеспечивает гальваническую 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 частности, 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 дистальный. Разница лишь в том, что он не приклеен к концу трубки, как дистальный, а закреплен на отдельном электродном проводе и во время обследования пациента размещается за его щекой. Накожный хлорсеребряный электрод сравнения Накожный хлорсеребряный электрод сравнения выполнен в виде диска, закрепляемого во время обследования пациента на запястье или в подключичной области пластырем или специальным ремнем. Электрод имеет резьбовой вывод, который служит для подсоединения к электродному проводу зонда. Возможен вариант исполнения, когда электрод припаян к элек135
тродному проводу. В углублении электрода находится площадка из хлористого серебра, контакт которой с кожей осуществляется через поролоновую прокладку, пропитанную 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 стимулированной желудочной секреции (пероральные): Таблица 3.3. Зонды с каломельным дистальным электродом сравнения Тип Возраст зонда пациента, лет 05 03 Д1 Д2 ДЗ Д4 02
Кол-во Расст. между измер. Наружн. измер. Электродами, мм диаметр, электродов 1-м и 2- 2-м и 3- мм, не более м м
старше 15 старше 15 от 1 до 6 от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14 старше 15.
5 3 3 3 3 3 2
50 120 50 70 90 110 120
120 120 50 70 90 120 —
7 7 4 4 4 4 7
Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда 05 составляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с каломельным дистальным электродом сравнения используется, как правило, оранжевая резиновая трубка. Зонды 05, 03 и 02 снабжены каналом для введения лекарственных препаратов. Таблица 3.4. Зонды с хлорсеребряным дистальным электродом сравнения Тип зонда
Г5П ГЗ ГЗ-Д1 Г-Д2 ГЗ-ДЗ Г-Д4 ГЗП ГЗП-Д1
Возраст та,лет
старше 15 старше 15 от 1до 6 от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14 старше 15 от 1 до 6
пациен-
Кол- Расст.между во из- измер. элекмер. тродами, мм элек1-м 2-м и тродов и 2-м 3-м 5 50 120 3 120 120 3 50 50 3 70 70 3 90 90 3 110 110 3 120 120 3 50 50
Наружн. диаметр, мм, не более 5 4 4 4 4 4 5 5 136
ГЗП-Д2 ГЗП-ДЗ ГЗП-Д4
от 7 до 11 от 12 до 14 старше 14
3 3 3
70 90 110
70 90 110
5 5 5
Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда Г5П составляет 120 мм, между 4 и 5—50мм. Таблица 3.5. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Тип зонда
ГА-5 ГА-3 ГА-3-Д1 ГА-3-Д2 ГА-З-ДЗ ГА-3-Д4
Возраст пациента, Кол- Расст.между НаЛет во из- изружн. мер. мер.электродам диаметр, элект- и, мм мм,не родов 1-м и 2-м и более 2-м 3-м старше 15 5 50 120 5 старше 15 3 120 120 5 от 1 до 6 3 50 50 5 от 7 до 11 3 70 70 5 от 12 до 14 3 90 90 5 старше 14 3 110 110 5
Расстояние между 3 и 4 измерительными электродами зонда ГА-5 составляет 120 мм, между 4 и 5—50 мм. Для изготовления зондов с хлорсеребряным электродом сравнения используется, как правило, мягкая прозрачная пластиковая трубка. Возможен вариант изготовления из более жесткой белой рентгеноконтрастной трубки. Двухэлектродные зонды могут применяться с ацидогастрометрами "Гастроскан-5", АГМ-01 и АГМИ-01 (терапевтическое исполнение). б) рН-метрические зонды для проведения пристеночной рН-метрии во время эндоскопического исследования верхних отделов желудочнокишечного тракта (вводятся через инструментальный канал эндоскопа): Таблица 3.6. Эндоскопические зонды Тип зонда
Э Э1 Г1 Г1-Д ГА-1 ГА1-Д
Количество Наружный диаизмерительметр, мм, не более ных электродов 1 2,4 1 1,8 1 2,4 1 1,8 1 2,4 1 1,8
У зондов Э, Э1, Г1, Г1-Д электрод сравнения выполнен в виде отдельной капсулы, размещаемой во время исследования за щекой пациента, у зон137
дов ГА-1 и ГА-Д1 — в виде накожно закрепляемого диска. Зонды, имеющие в своем обозначении букву Г, снабжены хлорсеребряным электродом сравнения, Э и Э1— каломельным. в) рН-метрические зонды для суточного мониторирования (трансназальные) Таблица 3.7. Зонды с хлорсеребряным накожным электродом сравнения Тип зонда
ГА-24-3 ГА-24-3-Д1 ГА-24-3-Д2 ГА-24-3-ДЗ ГА-24-3-Д4
Возраст пациен- Кол. из- Расст.междуизм Наружн. та, лет мер. ер. электродами, диаметр, электмм мм, родов 1-м и 2-м и не более 2-м' 3-м старше 15 3 120 120 2 от 1 до 6 3 50 50 2 от 7 до 11 3 70 70 2 от 12 до 14 3 90 90 2 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 проведения 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 обследоваться 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 клиническую практику ацидогастрометры АГМ-01, "Гастротест". Приборы сертифицированы Минздравом и Госстандартом России. Наиболее совершенными приборами из выпускаемых в настоящее время ГНПП “Исток-Система” являются компьютерные системы "Гастроскан-5" и "Гастроскан-24". Системы разработаны совместно с Российским государственным медицинским университетом им. Н.И. Пирогова и предназначены для проведения гастроэнтерологического обследования одновременно 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 двенадцатиперстной 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 138
проводимого обследования и работе с компьютером. Обследование по стандартной методике, разработанной в РГМУ, занимает 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 базе 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 исчерпывающей информации о состоянии ЖКТ пациента; Номенклатура предлагаемой техники для измерения рН постоянно увеличивается, что является одной из причин упрочнения позиций электрометрической рН-метрии в медицинской практике; Лидером по производству ацидогастрометров (рН-метров) в России является ГНПП ”Исток-Система”, наиболее совершенными, из выпускаемых ими в настоящее время, приборами являются “Гастроскан-5” и ”Гастроскан24” с компьютерной системой управления и программным обеспечением; При всех плюсах существующей ныне техники для измерения рН, проблема оснащения медицинских учреждений этими приборами стоит достаточно остро вследствие их дороговизны, поэтому возникла необходимость создания более дешевого прибора, не уступающего (по техниконадежностным показателям) существующим аналогам. 2. Гемодиализатор
Множество причин, например почечная инфекция или деструктивный процесс при заболеваниях типа сахарного диабета, может привести к нарушениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хронической почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азотистых шлаков в крови, в первую очередь мочевины. В связи с этим для поддержание жизни больного применяют различные методы искусственного очищения крови, используя аппарат “искусственная 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” (гемодиализатора) предназначенного для проведения как постоянных, так и периодических замен функции почек в организме актуальна. Эта задача является актуальной и для нашей страны. Ведущее положение при разработке аппаратов “искусственная почка” 139
для проведения гемодиализа или любого другого экстракорпорального метода 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 проведения 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 (преобразователей) в настоящее время широко используются цифровые методы. Этому способствует следующие достоинства цифровых измерительных устройств: 9 высокая разрешающая способность, открывающая широкие возможности повышения точности; 9 выдача результатов в кодированной цифровой форме для обработки и управления с применением ЭВМ; 9 возможность передачи результатов измерений без потери информации; 9 возможность использования новейших достижений технологии: интегральных схем печатного монтажа и др., что позволяет сохранить высокий уровень надежности при большой функциональной сложности, уменьшить габаритные размеры и стоимость аппаратуры; 9 возможность автоматической калибровки и автоматического ведения поправок с целью уменьшения систематической погрешности; 9 высокое быстродействие, соответствующе современным скоростям автоматической обработки результатов измерения; 9 удобство отсчета и регистрации результатов измерений; 9 возможность полной автоматизации процесса измерений 9 высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям. 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 поддержа140
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 конечные продукты азотистого обмена, чужеродные и токсические соединения, избыток органических и неорганических веществ. Почки участвуют в метаболизме углеводов и белков, в образовании биологически активных веществ, регулирующих уровень артериального давления, скорость секреции альдостерона надпочечниками и скорость образования эритроцитов. Основные функции почек (экскреторная, осморегулирующая, ионорегулирующая и др.) обеспечиваются процессами, лежащими в основе мочеобразования: 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 метаболизма). У птиц и рептилий основной конечный продукт белкового обмена – мочевая кислота, нерастворимое вещество, имеющее вид белой массы в экскрементах. У человека мочевая кислота тоже образуется и выводится почками (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 ограничено, почки способствуют сохранению ее в организме, используя для образования мочи как можно меньше воды. Объем мочи может уменьшиться до 300 мл в день, а концентрация выводимых продуктов будет соответственно выше. Объем мочи регулируется антидиуретическим гормоном (АДГ), называемым также вазопрессином. Этот гормон секретируется задней доли гипофиза (железы, расположенной в основании мозга). Если организму необходимо 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 вещества 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, пропускающий жидкость без белков, но со всеми растворенными в ней веществами. Эта жидкость называется ультрафильтратом, клубочковым фильтратом, или первичной 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 приблизительно 5 литрам, очевидно, что большая часть ультрафильтрата должна всосаться обратно в кровь. Если предположить, что в организме образуется 1 141
мл мочи в минуту, то оставшиеся 129 мл (больше 99%) воды из ультрафильтрата необходимо вернуть в кровоток, пока они не стали мочой и не выведены из организма. Ультрафильтрат содержит много ценных веществ (соли, глюкозу, аминокислоты, витамины и проч.), которые организм не может терять в значительных количествах. Большинство из них подвергается обратному всасыванию (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 приблизится к нулю. Поскольку перенос глюкозы обратно в кровь, где ее концентрация выше, идет против градиента концентрации, процесс требует дополнительной 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 канальцев, 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 проксимальных канальцев всасываются обратно, причем скорость уменьшения объема фильтрата достигает 1 л в час. Теперь во внутриканальцевой жидкости содержатся в основном «шлаки», такие, как мочевина, но процесс образования 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 результате создается высокая концентрация солей; благодаря этому из нисходящего колена петли (проницаемого для воды) часть воды отсасывается и сразу поступает в капилляры, тогда как соли постепенно диффундируют в него, достигая 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 определяется, 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 становятся 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 концентрацией солей, мочевины и других растворенных веществ. Этот раствор и есть конечная моча. Если АДГ в крови отсутствует, то собирательные трубочки остаются малопроницаемыми для воды, вода из них не выходит, объем 142
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 мочеточники, почти не причиняя вреда. Более крупные могут застревать в мочеточниках, что сопровождается мучительными болями (почечными коликами). Еще более крупные камни остаются в лоханках, вызывая боль, инфицирование и нарушение функции почек. Потребление большого количества воды снижает вероятность образования камней. Почечные камни удаляют хирургическим путем или методом литотрипсии (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 сахарного диабета, может привести к нарушениям функции почек вплоть до почечной недостаточности. При хронической почечной недостаточности происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия и накопление азотистых шлаков в крови, в первую очередь мочевины. Содержание мочевины в крови является важным клиническим параметром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мочевины 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 материал. 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 протекает через микроскопические канальцы, окруженные тонкой пластиковой мембраной. С другой стороны мембраны находится диализная жидкость. Если бы вместо диализной жидкости канальцы окружала вода, то все растворенные в крови вещества – соли, сахар и другие – вымывались бы из плазмы крови, т.е. выходили бы через мембрану в воду. Чтобы избежать этого, в качестве 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 отсутствуют. Во время гемодиализа эти вещества выходят из плазмы, так что в вену больного возвращается очищенная кровь. Гемодиализ можно проводить го143
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 медицину имеет поистине революционное значение. В силу того, что большинство заболеваний своей причиной или следствием имеют интоксикацию (эндогенную или экзогенную), становится очевидным, какое широкое распространение данное направление терапии должно получить. Все лечебные мероприятия, конечной целью которых является прекращение 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 дополнением, 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, отчасти, 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 жидкости, в которой содержатся токсины, другой биологической жидкостью или искусственной средой с целью снижения концентрации токсинов и элиминации 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 мембрану, а некоторые - нет. Под диализом подразумевается процесс удаления низкомолекулярных веществ, который основан на свойстве полупроницаемых 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 действует 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.). 144
Первоначально диализаторы состояли из целлюлозной трубки, обернутой 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 совершенствуются. Начали использовать насосы для перфузии крови и диализата. Давление 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 натрия, 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 крови. Благодаря некоторым добавкам в диализат, можно контролировать уровень электролитов и воды в плазме крови. Приборы, работающие с использованием мембран, называются диализаторами. Существует две разновидности диализаторов. Пластинчатые, с плоско параллельным потоком и диализаторы из полых волокон (капиллярные). Пластинчатые диализаторы Этот тип диализаторов назван пластинчатым по очевидной причине. Вместо классической вращающейся барабанной системы здесь используется несколько 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 крови 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 145
уровень фильтрации легко контролируется и предсказуем. Ещё одним плюсом является то, что количество крови внутри диализатора сравнительно невелико. 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 направлениях. Метод параллельного потока не так эффективен, но более деликатен. Это позволяет применять его в педиатрической практике, а также для первичных 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 противоположного 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 гемофильтрации (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 - адсорбент, т.е. поглощающее вещество, и адсорбтив (адсорбат), т.е. поглощае146
мое вещество. 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксикации
Выше говорилось об основных группах методов экстракорпоральной детоксикации. В классификации А.М. Сазонова, Л.А. Эндера подробно рассматриваются 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 методы 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 обладает значительным онкотическим давлением и способствует переходу жидкости 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 соединения. Гемодилюция Гемодилюция, или управляемое разбавление крови, улучшает реологические свойства крови, способствует нормализации гемодинамики за счет увеличения объема циркулирующей плазмы, снижает травматизацию форменных элементов крови, предупреждает агрегацию эритроцитов. Детоксикационный эффект гемодилюции обусловлен снижением концентрации токсических веществ за счет их разведения, улучшением перфузии тканей и элиминации токсических веществ благодаря интенсификации микроциркуля147
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 диуретических веществ: коррекции электролитного состава. В сосудистое русло вводят кристаллоиды: 5% глюкозу. изотонический раствор NaCl, раствор Рингера, солевые растворы, далее диуретические вещества: 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 интоксикации. Противопоказаниями к проведению форсированного диуреза являются внеклеточная дегидратация, застой в малом круге кровообращения, отек легких 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 энтеросорбции как метода общей детоксикации организма. Энтеросорбция не оказывает побочного неблагоприятного влияния на иммунитет, а, напротив, способствует устранению вторичного иммунодефицитного состояния, снижая иммунодепрессивное действие эндогенных токсинов. В настоящее время при интенсивной терапии острой почечной недостаточности применяется метод энтеросорбции билигнином. Это препарат растительного 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 случаев 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 проведения 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 достаточной для процесса обмена электролитами между кровью и диализирующим 148
раствором. Перекрестное кровообращение Впервые подключение кровообращения больного к кровообращению донора с целью очищения крови реципиента от токсических продуктов здоровой печенью было применено для лечения печеночной комы (I.Y. Burnet, 1966). Однако при первых попытках использования перекрестного кровообращения как у реципиентов, так и у доноров возникали тяжелые реакции, обусловленные иммунологической несовместимостью. В связи с этим было предложено использовать для перекрестного кровообращения 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 перспективным. 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 1015 л крови. При массивном переливании донорской крови возможны осложнения и в первую очередь связанные с развитием иммунологического конфликта. 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 токсины из циркулирующей крови. Использование искусственного кровообращения оказывает гемодинамический, а гипотермия проявляет свой антитоксический эффект. Гемосорбция Гемосорбция (от гемо... и латинского sorbeo - поглощаю), метод внепочечного 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 отличается от других методов лечения. Метод основан на двух свойствах сорбента: 9 адсорбции (фиксация молекулы вещества на поверхности поглотителя); 9 абсорбции (фиксация вещества в объеме поглотителя). Фиксация химических агентов происходит за счет образования ковалентных или ионных связей вещества с активными группами поглотителя. 149
Для гемосорбции используются сорбенты двух классов: неселективные, поглощающие из крови несколько веществ, и селективные, извлекающие вещества определенной структуры. К первой группе относятся активированные угли, на поверхности которых собираются индолы, скатолы, гуанидиновые основания, жирные кислоты, 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 гемосорбции. Проведённые наблюдения московских, днепропетровских и минских учёных показали высокую эффективность гемосорбции. Наблюдения ряда авторов показывают, что применение сорбционной терапии, как одного из нелекарственных методов лечения, является перспективным 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), затем введение этих клеточных элементов обратно в кровь, но без плазмы. Метод 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 концентрации белков, липидов, гормонов, токсинов, антигенов, антител, иммунных комплексов. Показания к проведению плазмафереза постоянно увеличиваются. В то же время эффективность метода доказана при нескольких синдромах или нозологических формах. Это синдром повышенной вязкости крови, синдром Гудпасчера, тромбоцитопеническая пурпура, иммунокомплексные вас150
кулиты, быстропрогрессирующий гломерулонефрит. Механизм плазмафереза складывается из двух основных факторов: 9 механическое удаление из организма вместе с плазмой токсических продуктов; 9 возмещение утраченных или недостающих жизненных компонентов внутренней среды организма путем переливания свежей донорской плазмы. В настоящее время существует несколько методик проведения плазмафереза. 1. Ручной метод. Суть его заключается в отстаивании крови во флаконах с гемоконсервантом с последующим удалением плазмы и возвращением эритроцитарной массы больному. 2. Метод прерывного плазмафереза. Кровь больного собирается в пластиковые контейнеры с гемоконсервантом далее центрифугируется, полученная плазма удаляется, а клеточные субстанции возвращаются в сосудистое русло. 3. В 60-е годы была создана модель фракционатора клеток, в котором путем центрифугирования кровь разделяется на плазму и клеточные элементы. Процесс разделения крови осуществляется в специальном роторе, из которого фракции крови удаляются с помощью роликовых насосов. 4. Особым методом плазмафереза является фильтрационный, при котором разделение крови происходит в процессе фильтрации через специальные мембраны или волокнистые фильтры. Лимфорея и лимфосорбция Детоксикационная лимфорея - метод, предполагающий нарушение отведения лимфы путем дренирования грудного лимфатического протока. При этом вместе с лимфой удаляются токсические метаболиты. Возмещение потери лимфы, достигающее 5 л/сут, проводят путем внутривенного введения соответствующего количества плазмозамещающих растворов. Недостатком метода является то, что вместе с токсическими продуктами удаляются ценные для организма вещества: белки, жиры, электролиты, ферменты, лимфоциты. Исходя из этого разработан и внедрен в практику метод очищения лимфы путем сорбции. Гемодиализ (ГД) Принцип гемодиализа основан на явлении избирательной диффузии через полупроницаемую мембрану, которая с одной стороны омывается кровью, а с другой стороны - диализирующим раствором (ДР) (рис. 3.5).
151
Рис. 3.5. Диаграмма процесса гемодиализа. Под воздействием концентрационного градиента через полупроницаемую мембрану проходят низко- и среднемолекулярные вещества. Мембрана не пропускает высокомолекулярные вещества - белки. Ультрафильтрация (УФ) Перемещение воды из крови в диализат через полупроницаемую мембрану называется ультрафильтрацией (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Диаграмма процесса ультрафильтрации. Скорость ультрафильтрации определяется изменением давления в полости диализатора за счет создания вакуума с одной стороны диализирующей 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 высокопроницаемые мембраны с одновременным замещением удаляемого фильтрата специальным раствором (рис. 3.7). В отличие от гемодиализа очищение крови при гемофильтрации осуществляется благодаря конвекционному пе152
ремещению растворенных в плазме веществ через полупроницаемую мембрану под действием трансмембранного давления, подобно тому, как это происходит в почечных клубочках. Гемофильтрация применяется при лечении тяжелой ОПН и ХПН, выраженной гипергидратации, некоторых отравлений. Интермиттирующая гемофильтрация - основной способ применения этого метода в условиях стационара.
Рис. 3.7. Диаграмма процесса гемофильтрации. Постоянную гемофильтрацию предпочтительно проводить у неподвижных больных с полиорганной патологией, составляющих контингент реанимационных отделений, а также при массовом поражении, когда возрастает потребность в стационарном оборудовании, или на этапе неспециализированной больничной помощи. Противопоказаниями для применения гемофильтрации являются некорригируемая артериальная гипотензия, продолжающееся кровотечение, геморрагический инсульт. По молекулярному спектру удаляемых веществ гемофильтрация близка к естественному почечному очищению. В отличие от гемодиализа при гемофильтрации хорошо удаляются уремические токсины малой и средней молекулярной массы. Кроме того, с помощью гемофильтрации могут быть удалены так называемые маленькие белки (например, бета2-микроглобулин, миоглобин), некоторые ферменты, бактериальные эндотоксины. При гемофильтрации эффективнее удаляются вещества, распределяющиеся преимущественно во внеклеточной жидкости и хорошо проходящие через мембрану, в меньшей степени нарушается осмотический баланс, поэтому гемофильтрация реже сопровождается опасными осложнениями со стороны органов кровообращения и центральной нервной системы. Для качества очищения определяющее значение имеет объем фильтрации, который в оптимальных случаях должен быть не менее 60-80% от массы тела пациента. Аппараты для гемофильтрации - гемопроцессоры оснащены насосами 153
для перфузии крови, удаления отфильтрованной жидкости (ультрафильтрата) и введения замещающего раствора, термостатом для подогревания замещающего раствора, электрическими весами для определения количества фильтрата и замещающего растворы, а также электронным устройством (микропроцессором), обеспечивающим автоматическое управление и контроль за ходом процедуры. Созданы аппараты, способные изготавливать высококачественный замещающий раствор, а также упрощенные портативные модели. Конструкцией аппарата предусмотрена защита пациента от перегретого 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 гемофильтрации входят маленький гемофильтр, кровяные линии, линии для замещающего раствора и фильтрата, контейнер и мешок-накопитель для фильтрата, сосудистые катетеры и переходные краны к ним. Постоянную гемофильтрацию можно проводить с помощью насоса крови 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 безбелковой части плазмы крови, стерильны, апирогенны и способны исправлять нарушения электролитного и кислотно-основного гомеостаза. Применяют 12-14 видов растворов, которые различаются по содержанию важнейших катионов, анионов, глюкозы, буферным свойствам, осмотическому давлению. Растворы расфасованы по 4,5-5 кг в мягкие пластиковые контейнеры. Аппарат присоединяют к пациенту с помощью наружного артериовенозного шунта или артериовенозной фистулы (в последнем случае сосуд пунктируют специальными иглами), реже введением катетеров в крупные сосуды 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 протамина 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 экстракорпоральной перфузией (кровотечение, нарушение гемостаза, эмболия), вмешательством в водно-электролитный и кислотно-основный баланс (гипергидратация и дегидратация, гипокалиемия, метаболический алкалоз). Могут быть связаны со стрессом и неселективным очищением (гипогликемия, гипофосфатемия, потеря аминокислот), нарушением теплового баланса (озноб повышение температуры тела), инокуляцией возбудителей инфекции (сепсис, гепатит, сифилис, ВИЧ-инфекция). При высокопоточной гемофильтрации могут наблюдаться артериальная гипотензия и сердечная слабость, обусловленные гипокалиемией и гипомагниемией, в связи с чем показаны периодическое введение панангина. При гемофильтрации предусмотрительно увеличи154
вают дозу лекарственных препаратов, количество вводимой глюкозы, аминокислот, 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 гемодиафильтры и имеют хорошие показатели как по диффузии, так и по ультрафильтрации. При проведении стандартной гемодиафильтрации используется бикарбонатный концентрат для получения диализирующей жидкости, а для замещения ультрафильтрата используются специальные растворы для гемофильтрации. Обычно во время сеанса замещаются от 9 до 20 литров жидкости. Существует разновидности гемодиафильтрации: стандартная гемодиафильтрация и гемодиафильтрация ON-Line. Во время гемодиафильтрации ON-Line замещающая жидкость готовится непосредственно из бикарбонатного диализата и объём замещения зависит от показаний, от скорости кровотока, типа диализного фильтра и может достигать 60-80 литров за процедуру. При скорости потока крови от 300 до 400 мл/мин. Средний процент снижения концентрации за процедуру для мочевины, креатинина, фосфата, бета2микроглобулина 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 замещающая жидкость вводится в кровь непосредственно до и после диафильтра (диализатора) соответственно (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Диаграмма процесса ГДФ с предилюцией и постдилюцией. 155
Таким образом, медицина располагает значительным числом методов детоксикации организма. Кроме того, постоянно разрабатываются новые способы. Дальнейшие исследования покажут, какие методы наиболее эффективны. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиализа
В 1944 году голландским врачом Колфом впервые был применен аппарат для временного замещения выделительной функции почек так называемая "искусственная почка" или гемодиализатор (ГДр) (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Принцип работы аппарата "искусственная почка". Его в основном используют при почечной недостаточности для освобождения крови от продуктов обмена и вообще, тех веществ, которым не место в организме - это может быть и лишняя вода. Для работы искусственной почки нужен катетер, насос и главная деталь полупроницаемая мембрана. Необходим специальный гемодиализирующий раствор, который содержит основные электролиты крови и глюкозу, в близких к нормальной крови концентрациях, но не содержит вещества подлежащих удалению. Таким образом, элементы крови через мембрану не проходят в отличие от вредных сульфатов, фосфатов мочевины. Учитывая общие закономерности построения аппаратов для внепочечного 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 выживаемость на хроническом гемодиализе совершенно не связана с биосовмес156
тимостью диализных мембран, типом диализного буфера и элиминацией пресловутых "средних" молекул, среди которых безуспешно искали несуществующий уремический токсин. Поэтому в мировой практике замещения функции почек оставлены фильтрационные способы детоксикации крови, которые 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 профилирования. Комплекс диализного мониторинга исключительно состоял из наблюдения за чисто физическими параметрами. В настоящее время проблему адекватности гемодиализа, аналитического определения гемодиализной прескрипции и сбалансированности ультрафильтрации решает гемодиализный биомониторинг, основанный на использовании сенсоров. Дело в том, что изменение биохимического состава отработанного диализата, как в зеркале отражает изменение биохимического состава крови. Поэтому по данным сенсора мочевины на сливе из аппарата искусственная почка оказалось вполне возможным осуществлять мониторинг таких фундаментальных показателей гемодиализа, как Kt/V, РСК (степень катаболизма белка), степень снижения уровня мочевины. Все эти параметры связаны практически линейной зависимостью 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. Основным недостатком всех ранее существовавших способов профилирования ультрафильтрации было отсутствие данных о фактическом изменении объема водных пространств организма. Сегодня эту проблему решает сенсор изменения объема крови. Сенсор неинвазивно устанавливается на входе крови в диализатор и по гемоконцентрации рассчитывает фактическое изменение объема крови в процентах от исходного значения и, равным образом, в динамике показывает темп восстановления объема крови после отключения ультрафильтрации. И сенсор мочевины и сенсор объема крови выдают информацию в цифровом и графическом виде и позволяет управлять работой аппарата искусственная почка по принципу обратной связи. Почти все гемодиализные компании уже декларировали инкорпорацию биосенсоров в основные блоки диализной аппаратуры. Таким образом, в настоящее время происходит качественный прогресс в почечной технологии. Надо полагать, что число параметров, которые контролируются биосенсорами, будет увеличиваться. Вероятно, это будет глюкоза, калий, рН и т. п. Итак, будущее гемодиализа - биомониторинг. 157
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 взаимодействие создало новую сферу – биоэлектронику. Первым шагом в этой области было возникновение новых устройств для анализа и переработки, получивших название биосенсоров (БС). БС рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств. Биосенсоры – это аналитические устройства, использующие биологические материалы для распознавания определенных молекул и выдающие информацию 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 которой по изменению концентрации кислорода измеряли концентрацию глюкозы. 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, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы и др., непосредственно реагирующий на присутствие определенного компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно БС представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, - биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. На рис. 3.10 приведена общая схема такого устройства. Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь преобразует концентрационный сигнал в электрический. В данном случае реализуется принципиально новый способ получения информации 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 дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов и т.д. (отсюда и название – без реагентные методы анализа). Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические и т.п. На рис. 3.11 приведен перечень преобразователей используемых в БС.
158
Рис. 3.10. Схема биохимического сенсора: 1-исследуемый раствор, 2корпус 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 преобразователи. Различают потенцио- и амперометрические БС, биосенсоры оптоволоконные, 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.
159
Рис. 3.11. Типы чувствительных элементов распознавания (биослой) и физических преобразователей в сенсорах. Принцип работы БС достаточно прост. Определяемое вещество диффундирует 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 определяется с помощью электрода, на поверхности которого закреплен фермент, то такое устройство называют ферментным электродом. Таким образом, определения “биосенсор” и “ферментный электрод” в данном случае синонимы. Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от природы фермента, типа его каталитического действия. Многие ферменты сейчас доступны, их чистые препараты включены в каталоги ряда фирмпроизводителей. 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 относительно короткого времени. Поэтому была разработана операция так называемой иммобилизации фермента. В ходе иммобилизации с помощью специальных 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, “пришивают” 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 иммоби160
лизации ферментов в БС.
Рис. 3.12. Схематическое изображение методов иммобилизации ферментов в БС: а – ковалентное связывание с поверхностью электрода, б – сшивание, в – адсорбция на носителе (электроде), г – ковалентное связывание и пришивание к подложке (электроду), д – захват носителем (в пленке полимера). Недостатком БС является трудность их изготовления. Но успехи в области развития средств микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструкций БС к новым решениям. Оказалось перспективным использовать так называемую планарную технологию (фотолитографию, полупроводниковую технику покрытия и т.д.), по которой можно изготовить биочип, объединяющий сенсорную систему, трансдьюсер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор для измерения аналитического сигнала и расчета результатов анализа. “Молекулярный дизайн” при конструировании БС будущего может составить реальную конкуренцию их объемному варианту. Таблица 3.8. Примеры ферментных электродов и область их применения Фермент Уреаза Пенициллиназа Оксидаза Lаминокислот
Индикаторный электрод Аммонийный, Газочувствительный СО2 и NH3 рН-метрический Аммонийный
Определяемое вещество Мочевина (субстрат), Фториды, тяжелые металлы Пенициллин
Область применения Клиническая экология
диагностика,
Фармацевтическая промышленность L-аминокислоты: Пищевая промышленность, цистеин, лейцин, производство биопрепаратов, тирозин, триптофан, санитарная экспертиза и друфенилаланин, метионин и гие другие
161
Индикаторный Определяемое Фермент электрод вещество D-аминокислоты: Оксидаза D- Аммонийный, фенилаланин, тирозин, аминокислот Газочувствиметионин, ,лей-цин, тельный NH3 триптофан и другие Биогенные амины: сеМоноаминГазочувствиротонин, тирамин, адреоксидаза тельный NH3 налин, триптамин, норадреналин, бензиламин; про-изводные бензимидазолов, гидразина, акридины, атропин, метацин и другие ХолинэстерарН-метричесCубстраты - холиновые зы: ацетилхо- кий, редокс- и тиохолиновые эфиры линэстераза, метрические: пла- уксусной про-пионовой и бутирихолин- тиновые, стеклян- масляной кислот; атроэстераза ный ЭО-01, газо- пин, эзерин, прозерин, чувствитель-ный пестициды антихолинэCO2 стеразного действия, ионы Ме Аспарагиназа Аммонийный Аспарагин ГлюкозоксиИодидный, рНдаза метрический НитритреАммонийный дуктаза + метилвиологен НитратреГазочувствидуктаза тельный NH3 Креатиназа
Газочувствительный NH3
Глюкоза Нитриты Нитраты Креатинин
Область применения Клинический анализ, производство биохимических препаратов, пищевая промышленность Клиническая диагностика, фармацевтическая и пищевая промышленность, санэкспертиза, сельское хозяйство
Химико-токсикологический анализ, сельское хозяйство, ветеринария
Медицина, производство биопрепаратов, пищевая пром-ть Медицина Сельское хозяйство, ветеринария, токсикология, санэкспертиза, экология Сельское хозяйство, ветеринария, токсикология, санэкспертиза, экология Клинический анализ, производство биохимпрепаратов
2.5.2. Типы биосенсоров мочевины
Содержание мочевины в крови является важным клиническим параметром, характеризующим функционирование почек. В норме концентрация мочевины (СО(NH2)2) лежит в интервале 3,6–8,9 мМ, что составляет 3,6–8,9 ммоль/л; где М – молярная концентрация. В источнике представлена таблица мембранных биосенсоров мочевины. Во всех известных биосенсорах мочевины использована реакция гидролиза, катализируемая высокоспецифичным ферментом – уреазой: СО(NH2)2 + 2H2O → NH3 + NH4+ + HCO3⎯
(3.1)
Уреаза — растительный ферментный препарат, не уступающий лучшим зарубежным аналогам. Диагностическое средство, предназначенное для сни162
жения содержания мочевины в крови и определения мочевины в биологических жидкостях. Уреаза иммобилизованная — иммобилизованная форма фермента для использования ее в системе ферментного электрода (биосенсора) для аналитических и диагностических целей, а также для определения и разложения мочевины в биологических жидкостях и применения в аппарате «искусственная почка». Некоторые из перечисленных в табл. 3.8 ферментных электродов выпускаются для продажи. Так, фирма Owens - Illinois (Kimble) создала прибор для определения мочевины на основе иммобилизованной уреазы и аммиачного газочувствительного электрода. По приобретенному патенту фирма Technicon продает этот прибор в Европе. Непосредственно ферментные электроды для определения мочевины, креатинина, аминокислот, спиртов, глюкозы и некоторых других веществ изготовляет по специальному запросу фирма Universal Sensors (New Orlean, USA). У нас в стране ферментные электроды для оценки общей токсичности воды и определения фосфорорганических пестицидов и других веществ антихолинэстеразного действия изготовляются по предварительным заказам на экологическом факультете Казанского государственного университета. Амперометрические биосенсоры: В амперометрических ферментных электродах чаще всего индикаторным электродом является платиновый электрод. Селективность амперометрического биосенсора (АБС) определяется природой материала электрода, точнее, его поверхности, а следовательно, и величиной потенциала, при котором 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 индикаторный 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 стеклянный и другие рН - метрические, а также газочувствительные электроды. Кроме того, применяются и другие ионоселективные электроды (ИСЭ): аммонийный, нитратный, холиновый и т.д. Стеклянный рН-метрический электрод не случайно нашел широкое применение в конструкциях ферментных и других биосенсоров. Его уникальная избирательность к ионам Н+ и ОН-, 163
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 биологических объектов. С позиции сочетания с ферментными препаратами рНметрический электрод почти универсален, т.к. в большинстве ферментативных реакций происходит изменение рН. рН – чувствительные ионоселективные электроды:
Потенциометрические биосенсоры (ПБС) основаны на ионоселективных электродах, дающих селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул вещества в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал. И, что самое главное они функционируют обратимо, и при измерении потенциала на электроде не нарушается электрохимическое равновесия электрод (биосенсор) – раствор, чего нельзя сказать об амперометрических биосенсорах, отклик которых определяется электролизом, т.е. потреблением вещества. Однако расход определяемого вещества за время формирования отклика настолько ничтожен, что не вызывает изменения концентрации определяемого компонента при повторных измерениях. ПБС менее чувствительны, чем АБС. Высокой селективностью обладают уреазные сенсоры 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 иммобилизированного 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, который содержит мочевину, субстрат распространяется в слой геля с иммобилизированным ферментом. Фермент катализирует (ускоряет) разложение мочевины до иона аммония как показано в уравнении: СО(NH2)2 + H2O → 2NH4+ + CO2
(3.2)
Ион аммония, произведенный на поверхности электрода определяется рН – чувствительным электродом, который измеряет активность этого одновалентного катиона способом, аналогичным pH определению со стеклянным электродом. Потенциал этого электрода измерен. Время для 98 % установившегося ответа 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 164
рН – чувствительные полевые транзисторы:
Довольно широкое распространение получили миниатюрные устройства, основанные на полевых транзисторах. В них металлический контакт затвора 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 вызывает изменение электрического поля в области затвора и, следовательно, порогового потенциала и тока в транзисторе, что и обуславливает аналитический 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 КМ , моль/л
Рис. 3.13. Кривая калибровки. Существуют устройства состоящие из фоточувствительной мембраны, которая содержит иммобилизованную уреазу, катализирующая гидролиз мочевины до аммиака и углекислоты (см. реакция гидролиза ). В таких устройствах регистрация потенциала светочувствительной мембраны осуществляется с помощью полевого транзистора, такой подход значительно миниатюризирует биосенсор (рис. 3.14). Время измерения при использовании полевых транзисторов составляет около 5 мин. Появляющиеся в результате биохимической реакции ионы аммония влияют на амплитуду фотоответа сенсора, что составляет основу определения мочевины. Калибровочная зависимость такого биосенсора представлена Свет 1 на рис. 3.15. 6 2 5 165
Рис. 3.14. Схематическое представление сенсора на основе транзистора. 1-электрод сравнения, 2-фоточувствительная мембрана с ионофором, 3сденозащитный экран, 4-внупренний электролит, 5-герметизирующее кольцо, 6-внешний раствор содержащий измеряемое соединение. U, мВ 35 30 25 20 15 10 5 0 7
6
5
4
3
2
1
lg[(NH2)2CO]
Рис. 3.15. Зависимость величины фотоответов биосенсора от концентрации мочевины. Удобство в использовании биосенсоров заключается в том, что их элементы: 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-массспектрометрическому анализу слюны, кала, влагалищных смывов, выдыхаемого воздуха можно диагностировать многие заболевания, в частности стоматологические, гинекологические, легочные, психические. Кишечные газы являются одним из наиболее доступных биологических материалов, однако, они еще недостаточно используются для диагностики заболеваний. Состав кишечных газов имеет также существенное значение для космической медицины. Исследование кишечных газов было проведено на хромато-масс-спектрометре LKB-2091 (Швеция), соединенном с ЭВМ, включающей компьютер PDP 11/34 (США), дисплей и графопострои166
тель. Пробы кишечных газов отбирали во фторопластовые мешочки. На основании проведенных исследований за норму может быть принято следующее содержание специфических химических соединений в кишечных газах (концентрации приведены к 760 мм.рт.ст. и 37 0C). Из предельных углеводородов 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), 2метилгексан (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), 2,2,5триметилгептан (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), тридецин-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), гексагидроиндан (6,04). Выявлены соединения, принадлежащие к ароматическим углеводородам: бензол (446), толуол (114), этилбензол (140), ксилол (48,5), стирол (0,26), н-пропилбензол (13,5), 1-метил-3-этилбензол (23,3), 1метил-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-3изопропилбензол (2,08), 1,3-диметил-5-этилбензол (1,50), 1,2-диметил-4этилбензол (2,55), 1,3-диметил-2-этилбензол (2,36), 1,2,3,4-тетраметилбензол (1,38), нафталин (2,15), 2-метилнафталин. Представляет существенный интерес идентификация в кишечных газах значительного количества специфических кислородосодержащих соединений: альдегидов - формальдегида (28,3), ацетальдегида (195), 2-метилпропаналя (44,9), 3-метил-бутаналя (30,8), пентаналя (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), деканаля (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), циклогексилового спирта (317), изоамилового спирта (278), бензилового спирта (176), 3метил-1-бутанола (276); эфиров - этилацетата (94,7), диэтилового эфира (176), 1,4-диоксана (80,4), бутилацетата (64,4), изобутилацетата (28,5), изоамилацетата (56,8), этилгексаноата (23,5), этилоктаноата (20,8), дифенилового 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 уксусной (2039) кислот. Из азотосодержащих углеводородов представлены следующие соединения: метиламин (746), изопропиламин (581), пирролидин 167
(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), диметилдисульфид (6,14), метил-н-пропилсульфид (6,99), амилмеркаптан (0,50), 2,3,4тритиопентан (2,83), амилтиозоцианат (3,66), этиленсульфид (4,22); хлорсодержащих - 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-массспектрометрический анализ кишечных газов может быть эффективно использован 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 интересующих нас газов, сероводорода на уровне 0,021 мг/м3, аммиака - 0,206 мг/м3, паров ацетона - 0,409 мг/м3. 3.2. Обзор принципов и схем обработки данных
Наибольшую активность в период с 1980 по 2000 гг. в сфере разработки измерителей концентрации проявила Россия, а пик патентования приходится на 1990-1993 гг. В настоящее время ведущими признаны следующие фирмы: 1. Россия – Малое государственное предприятие "Практик - НЦ"", Нижегородское производственное предприятие "ЭКО - плюс", фирма "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 INDASTRIAL CO, MINNESOTA MINNING & MANUFACTURING COMPANI, CAPTER SENSOR & ANALYSERS LTD 5. EP - MIKROSTRUKTURTECHNIK-MBH, UNITED KINDOM ATOMIK ENERGY AUTOHORITY, DRAEGERWERK AKTIENGESELLSCHAFT. Основными задачами, стоящими перед разработками в настоящее время, являются: - повышение точности измерений; - расширение диапазона измерений и функциональных возможно168
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 электрические сигналы, которые более или менее специфичны для различных веществ. При этом используются различные физические и химические эффекты. Кроме этих простых и надежных газовых детекторов для более ответственных применений существуют еще оптические фотометры, превосходящие газовые 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 (СО2, SO2, SF6); • термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы); • полупроводниковые датчики (спирты, Н2S, углеводороды, токсичные газы); • топливные ячейки (кислород). Термокондуктометрические ячейки. Принцип действия этих датчиков состоит в следующем: Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в которой имеется платиновая или никелевая проволочная спираль, нагретая до температуры примерно на 40ОС выше окружающей. Если состав газов изменится, то изменится также теплоотвод от нагретой спирали к стенкам ячейки. Охлаждение или нагрев спирали ведет к изменению ее сопротивления, кото169
рое сопоставляется в измерительном мосте со вторым - эталонным - сопротивлением, расположенным в сравнительной камере. Одинаковый тепловой эффект может быть обусловлен смешением различных газов, но в соответственно разных количествах, применение датчика ограниченно только анализом бинарных смесей из трех и более данный способ непригоден. Топливные ячейки. Для оценки натекания воздуха по содержащемуся в нем кислороду применяют датчики с топливной ячейкой. В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности электропроводящего материала, находящегося между электролитом и атмосферным воздухом. В результате возникает электрический сигнал, который может быть измерен. Термохимические (каталитические) ячейки. Термохимическая ячейка имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост. Одна спираль покрыта слоем активного катализатора, а вторая - слоем пассивного катализатора. Находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кислородом воздуха на активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО2). Выделяющаяся в результате этой реакции тепловая энергия вызывает повышение сопротивления 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 находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего меняется. С помощью мостовой схемы это изменение 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, включающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, который гарантирует потребителям хорошие технические параметры датчиков, а также их надежность и стабильность в эксплуатации. Объем производимой продукции Figaro на сегодняшний день составляет 1 миллион датчиков в месяц. Среди потребителей 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 170
тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400ОС) при помощи нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси. Зависимость сопротивления 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 чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления 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.
171
Рис. 3.17. Характеристика чувствительности для разных газов Rs – сенсорное сопротивление в газах в различных концентрациях; R0 – сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана.
Рис. 3.18. Зависимость сенсорного коэффициента сопротивления от температуры Rs – сенсорное сопротивление в 5000 ppm при различных температурах/влажностях; R0 – сенсорное сопротивление в 5000 ppm метана при 20 0С и 65%RH.
172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенные теоретические основы диагностических методов и аппаратных средств, применяемых в практической медицине и лабораторных исследованиях, по мнению авторов, помогут студентам старших курсов специальности "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" получить дополнительную информацию, необходимую для успешного решения широкого круга задач при разработке и проектировании медицинской диагностической, 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 изложение ряда новых, совершенствуемых в настоящее время методов можно найти в специальной литературе, журналах, посвященных медицинскому приборостроению. В заключении следует подчеркнуть, что разработка новых диагностических методов и современной аппаратуры в медицине является актуальной и социально значимой задачей современного медицинского приборостроения. Авторы составители выражают глубокую благодарность студентам специальности 190500, выпусков 1999-2004 г., дипломные работы которых послужили базой для составления настоящего учебного пособия
173
Литература
1.Биофизическое моделирование диагностического процесса – векторкардиографии. // Вестник новых медицинских технологий – 1999 - тVI - №3-4. 2.Белоусов В. Е. Математическая электрокардиология. - Минск: Беларусь,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.: Медпрактика, 2000. - 216 с. 5. Мурашко В. В., Срутынский А. В. Электрокардиография. – М: Медицина, 1987. – 256 с.,ил. 6. Озол Э.А. Корригированные ортогональные отведения электрокардиограммы в клиническом анализе биоэлектрической активности сердца / автореферат. - Казань, 1972. - 26 с. Расчёт параметров электрокардиограммы желудочкового комплекса. // Вестник 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 электрокардиограммы. – М.: Наука, 1990. – 198 с., ил. Тартаковский М. Б. Основы клинической векторкардиографии. – Л.: Медицина, Ленинградское отделение, 1964. – 434 с., ил. Янушкевичус З. И., Чирейкин Л. В., Пранявичус А. А. Дополнительно усиленная 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 методом // 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.4−8. Фотоплетизмографичекие показатели гемодинамики при заболеваниях парадонта / Я.Н.Горенштейн, М.Е.Трухина, Д.А.Марголин, К.В.Милохов. // Стоматология.−1989.− Т.68, №5.− с.20−22. 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.68−71. 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 174
1981г. Цифровая обработка сигналов. Опейгейм А.В., Шапер Р.В. Перевод с английского 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. Баевский Р.М.- М: Наука, 1971г.-220с. Современные методы и аппаратура для автоматизированных измерений в кардиологии. Под редакцией профессора Н.Н. Мухарлямова – М: Медицина, 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 брюшной полости. И.С. Малков, Р.Ш. Шаймарданов, И.А. Ким – Казань 1996г. Системотехническая разработка измерительно-вычислительных комплексов медицинского назначения: Учебное пособие – практикум. В.М. Солдаткин, 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 исследований. Учебное пособие. Е.П. Попечителев, Б.И. Чигирев – Л: Издательство Ленинградского университета, 1991 г. Оптоэлектроника в измерительной технике. В.Ф. Бахтумский, Н.И. Гореликов, Ю.Н. Кузин – М: Машиностроение, 1979г. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. 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: Энергоатомиздат 1990г. Интегральная электроника в измерительных устройствах. В.С. Гутников – Л: Энергия 1980г. Диагностика и лечение заболеваний органов пищеварения. Бабак О.А. Харьков, 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. 175
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. // Врачебное 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 // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника 2002 №8 Методы клинической нейрофизиологии. Изучение физиологии головного мозга человека. 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 функционального состояния сосудов головного мозга по реоэнцефалограмме. // Медицинская 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 методам 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. 176
– 191 с. О повышении информативности фотометрической регистрации агрегационных 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 светорассеянии //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 гемодиализа // Мед. техника. – 2002,- №4, - с. 20-22. Будников Г. К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал. – 1998, - №3, - с. 72-76. Будников Г. К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соросовский образовательный журнал. – 1996, - №12, - с. 26-32. Биосенсоры для определения органических соединений: Сенсоры аминокислот, 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 микроколичеств некоторых азотосодержащих веществ.// Журнал аналитической химии.–1985.-Т.40, вып.7, с. 1299-1307. Решетилов А.Н. Модели биосенсоров на основе потенциометрических и амперометрических преобразователей для использования в медицине, биотехнологии, 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 модифицированными и ультрамикроэлектродами. М.: Наука, 1994. 239 с. Биосенсоры: основы и приложения./ Под ред. Э. Тернера и др. М.: Мир, 1992. 614 с.
177