Кислород – ключевой элемент в метаболизме клеток, и его концентрация в тканях играет важную роль в эффективности протекания многих биохимических реакций. Основными элементами транспортировки кислорода в организме являются эритроциты, а именно гемоглобин.
Оксиметрия – оптический метод определения степени насыщения гемоглобина крови кислородом. На данный момент перспективы развития методов оптической оксиметрии еще далеко не исчерпаны.
При прохождении излучения оптического диапазона (380-780 нм) через кожный покров, оно в значительной степени рассеивается и поглощается структурными слоями кожи и содержащимися в них хромофорами [1]. Кожа является в высшей степени динамичным органом, и ее оптические свойства следует рассматривать in vivo.
Для нормально падающего пучка в спектральном диапазоне 250-3000 нм зеркальная компонента рассеянного от кожного покрова человека света как для светлой ,так и для смуглой кожи [2] составляет приблизительно 4-7% от мощности падающего излучения. Следовательно, во внутренних слоях кожи поглощается и рассеивается приблизительно 93-96% падающего на нее излучения. Диффузная компонента рассеянного излучения является функцией процессов поглощения и рассеяния от тех внутренних слоев кожи, к которым проникает падающее излучение.
Результаты измерений отраженного от кожного покрова излучения, на некоторых выбранных длинах волн, могут быть использованы для количественной оценки изменений пигментов кожного покрова. Так как глубина проникновения оптического излучения в ткань зависит от длины волны падающего излучения, распределение пигментов в различных слоях кожи влияет на спектральный состав излучения, достигающего данного слоя.
Области поглощения, соответствующие каждому из основных дермальных хромофоров, могут быть определены как минимумы спектрально отражения in vivo [3]. Возможности данного метода включают определение кислородного насыщения кожного кровотока, уровней билирубина и меламинной пигментации.
Исследование областей поглощения оксигемоглобина и гемоглобина, при регистрации спектров рассеянного кожным покровом излучения, позволит оценить концентрацию данных хромофоров в кожном кровотоке.
В результате исследований, были измерены 8 образцов крови с разной концентрацией кислорода.
В пробирки добавлялись образцы крови, смешанные с физиологическим раствором (NaCl) в пропорции 20 на 80 %.
Регистрировался спектр поглощения препарата крови при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. Степень насыщения препарата крови О2 соответствовал порциальному давлению О2, равному 20% от нормального атмосферного. На рисунках 1, 2 приведены спектры поглощения крови.
Рисунок 1 – Спектр поглощения образцов крови насыщенных кислородом с увеличенным участком 520-560 нм
Рисунок 2 – Спектр поглощения образцов крови не насыщенных кислородом с увеличенным участком 520-560 нм
На рисунках 1, 2 наблюдаются характерные пики в спектре поглощения на длинах волн 542, 560, 577 нм.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что измерение амплитуды характерных пиков спектральной кривой на длинах волн 542, 560 и 577 нм связано со степенью оксигенации препарата крови, и дают возможность разработать бесконтактную неинвазивную методику определения концентрации оксигемоглобина в крови.
Для разработки методики введем два коэффициента Q1 и Q2, соответствующие разностям между амплитудами спектральной кривой на длинах волн 542, 577 нм и амплитудой спектральной кривой для волны 560 нм:
Результаты расчетов коэффициентов Q1 и Q2 в относительных единицах с учетом знака кривизны приведены в таблице 1:
Таблица 1– Значение коэффициентов Q1 и Q2 для измеренных образцов
Измерение |
Q1 |
Q2 |
Измерение |
Q1 |
Q2 |
1 (c O2) |
0,02 |
0,1 |
1 (без O2) |
-0,32 |
-0,28 |
2 (c O2) |
0,03 |
0,23 |
2 (без O2) |
-0,16 |
0,02 |
3 (c O2) |
0,01 |
0,09 |
3 (без O2) |
-0,09 |
-0,04 |
Среднее (c O2) |
0,02 |
0,14 |
Среднее (без O2) |
-0,19 |
-0,1 |
Полученные данные позволяют построить градуировочный график зависимости Q1 и Q2 от степени насыщения О2 препарата крови (рисунок 3). По графику можно определить степень насыщения кислородом препарата крови.
Рисунок 3 – Градуировочный график зависимости Q1 и Q2 от степени насыщения О2 препарата крови
Таким образом, разработанный метод может найти широкое применение как в практической медицине при диагностике различных функциональных нарушении, связанных с изменением микрогемодинамики кожных покровов, так и при проведении различных научных исследований.