Неинвазивные методы измерения билирубина, гемоглобина и глюкозы. Прибор гемобилиглюкометр Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Эти исследования показали, что предложенный метод диагностики активности РЗ регистрирует показатели, коррелирующие с общими медицинскими представлениями о физиологической активности РЗ у подростков, а именно: наибольшая активность РЗ (рост и формирование скелета) у мальчиков и у девочек наблюдается в возрастном интервале 9-15 лет [6, 7].

Обсуждение результатов

Можно отметить следующее:

- у мальчиков область активности в интервале 9-15 лет выражена более явно (рис. 3);

- у девочек (рис. 4) эти отклонения в уровне активности РЗ по сравнению с мальчиками в интервале 11-15 лет могут быть объяснены перестройкой их организма.

Для большей очевидности области «нормы» для активности РЗ необходимо увеличить число наблюдений и уравнять их по количеству пациентов в каждой возрастной группе. Из графиков на рисунках видно, что разброс измерений относительно среднего уровня определяется количеством пациентов в данной возрастной группе. Если количество пациентов невелико (2-4 человека), то ошибка измерений увеличивается (рис. 3). С увеличением количества пациентов (до 10 и более) наблюдается уменьшение разброса измерений. Таким образом, на основании вышеприведенных результатов (рис. 3, 4) можно говорить о том, что основная цель работы достигнута, а именно: метод ВЧ-ближнепольного зондирования дает достаточно простую и оперативную информацию о функциональном состоянии РЗ, совпадающую с физиологическими особенностями активности РЗ в зависимости от возраста и пола (возрастная физиология).

Заключение

Методика обследования достаточно проста, неинвазивна и безопасна. Аппаратно-диагностический комплекс портативен и мобилен.

В дальнейшем предполагается продолжить исследования с целью получения статистически достоверных показателей понятия «нормы» для активности РЗ. В свою очередь, выявленные показатели возрастов нормы активности РЗ могут быть использованы для совершенствования и разработки различных медицинских методик лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата у детей и подростков.

Литература

1. Радионуклиидная диагностика для практических врачей / Под ред. Ю.Б. Лишманова, В.И. Чернова. -Томск: 8ТТ, 2004. - 394 с.

2 Электрическая система регуляции процессов жизнедеятельности / Под ред. Г.Н. Зацепиной. - М.: Изд-во МГУ, 1992. - 160 с.

3. Самойлов В.О. Медицинская биофизика: Учебник для вузов. - СПб: СпецЛит, 2007. - 560 с.

4. Леднев В.В. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей // Биофизика, 1996. - Т. 41. - Вып. 1. - С. 224-231.

5. Браун В. Диэлектрики. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 327 с.

6. Вельтищев Ю.Е. Рост ребенка: закономерности, отклонения, патология и превентивная терапия: лекция №12 / Московский НИИ протезирования и детской хирургии МЗ РФ. - М., 1994. - 74 с.

7. Медведев В.П., Куликов А.М. Подростковая медицина. - СПб: СпецЛит, 1999. - 731 с.

Арсеньев Алексей Валентинович - СПб ГУЗ ВЦДОиТ «Огонёк», кандидат медицинских наук, зав. отделением,

stivamat@rambler.ru

Волченко Александр Николаевич - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, wolf2684@mail.ru Лихачева Людмила Валентиновна - ООО «Санаторий-профилакторий «Родник», гл. врач, rodnikperm@mail.ru Печерский Виктор Иванович - ООО «Санаторий-профилакторий «Родник», врач-ортопед, rodnikperm@mail.ru

УДК 616-089.2(043.2)

НЕИНВАЗИВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ БИЛИРУБИНА, ГЕМОГЛОБИНА И ГЛЮКОЗЫ. ПРИБОР ГЕМОБИЛИГЛЮКОМЕТР

Е.В. Кожохина

Рассмотрены преимущества неинвазивных измерений параметров крови, предложено конструктивное исполнение прибора гемобилиглюкометра.

Ключевые слова: неинвазивный, гемоглобин, билирубин, глюкоза, поглощение, интерференционные фильтры, микроконтроллер, мониторинг.

Введение

Свет видимого диапазона длин волн является безопасным при малых уровнях плотности излучения. Свет этого диапазона длин волн хорошо проникает в биологическую ткань и несет информацию о структурных и динамических изменениях в тканях. С помощью такого физического явления как поглощение, можно диагностировать некоторые параметры крови, такие как гемоглобин, билирубин и глюкоза.

Лабораторные исследования, построенные на инвазивных методах, сопряжены с травмированием пациентов, возможностью инфицирования, а также с довольно длительной процедурой получения диагностического результата. Однако на сегодняшний день они являются определяющими, так как удовлетворяют требованиям допустимых пределов аналитической вариации: для гемоглобина ±2%; для билирубина ±10% [1]. Тем не менее, для мониторинга состояния больных и терапии неинвазивные методы значительно превосходят лабораторные исследования как по оперативности, так и по эффективности и экономичности.

Приоритет черезкожного определения билирубина оптико-электронным методом принадлежит фирме «Minolta» [2]. Усовершенствованием конструкции частично, при том же методе обработки информации, был АБЧ-01, ЦКБ завода «Арсенал» [3], г. Киев, а также «Билитест» фирмы «Техномед» г. Москва. Дальнейшим усовершенствованием является ИН-01Б, разработанный МП НПП «Оптамед-Интекон» г. Киев [4], измеряющий концентрацию билирубина в диапазоне 0-300 мкмоль/л.

Медицинское апробирование упомянутых приборов в ряде ведущих медицинских НИИ Украины и России выявило большую заинтересованность, так как приборы позволяют:

- в течение нескольких секунд бескровным методом поставить диагноз гипербилирубинемии, анемии или диабета и выявить методом скрининга пациентов группы риска;

- исключить инфицирование пациента во время взятия крови (СПИД, гепатит, кокковая инфекция и др.);

- проводить измерения любому медицинскому работнику;

- быстро окупаться, так как исключаются затраты на спецреагенты и т.д.

Постановка задачи

Из приведенного выше анализа следует, что неинвазивные оптико-электронные приборы весьма перспективны для клинической диагностики, однако по аналитической вариации они уступают традиционным биохимическим методам. К тому же, не существует комбинированных неизвазивных измерителей параметров крови. В данной работе рассмотрены свойства гемоглобина, билирубина и глюкозы, а также их спектры поглощения, особенности прохождения излучения через слои кожи, требования к созданию гемобилиглюкометра.

Взаимодействие излучения с кожным покровом

При биохимических измерениях концентрация исследуемого вещества определяется непосредственно в крови либо в сыворотке. В неинвазивных измерениях процесс измерения ведется в среде, которая отличается от крови по целому ряду параметров - коже. Кожа - это наружный покров тела человека, который выполняет разнообразные функции, защищая организм от разрушительных факторов. Кожа представляет собой трехкомпонентную тканевую систему, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жировой клетчаткой [5].

?п1щер1чичесиое

IliLiiW II11LL

лсщип^ское иссгшшс

элпл«рмнс 100 JM и км

лсрчз 1WJV-W0U чкч

ятт

л

V I 'ШрИПЧШК!» nnrillllllCIIIIC

|] ГН. |К(ГЖ 11 С.'|||Й

Рис. 1. Взаимодействие излучения видимого диапазона длин волн с кожными тканями

При взаимодействии излучения видимого диапазона длин волн с биологическими тканями имеют место обычные оптические эффекты, возникающие при прохождении света через неоднородную среду. Часть падающего на биоткань излучения отражается от ее поверхности. Проникающее в ткань излучение видимого диапазона длин волн подвергается многократному рассеиванию, поглощению различными биологическими структурами и частичному преобразованию во вторичное излучение [6]. На рис. 1 представлена схема взаимодействия лазерного луча с кожным покровом.

Величина поглощенной биотканями энергии (Фпогл) приближенно исчисляется как разность между падающей (Фпад) и отраженной (Фотр) частями энергии светового потока [7]:

ф =ф _ф =ф .[1 _ )1

^погл пад ^отр пад 1 УУ'-;] ■

Кровеносные сосуды залегают на определенных глубинах в коже, для регистрации рассеянного и отраженного излучения необходима определенная интенсивность излучения для различных длин волн. При этом в разных участках тела количества кровеносных сосудов на единицу объема различные. В зависимости от длины волны разный объем излучения проникает сквозь различные слои кожи.

На рис. 2 приведена относительная спектральная чувствительность фотопреобразователя ФП33-1Л, используемого в гемобилиглюкометре, и глубина проникновения излучения 0,4_ 1 мкм через слои кожи. Поскольку биологические ткани являются интенсивно рассеивающими средами, их толщина и структура сильно влияют на поглощение лазерного излучения, в диапазоне длин от 600 до 1400 нм кожа поглощает 25-40% излучения [8].

0,4 0,6 0.8 I

эпидермис

дерма

ПЩЕКОЖНЬШ слой

77%

18%

5%

65%

21%

14%

(,5%

17%

18%

1,0 ч —р

/ л \

-1 \

J

/

10

0,3 0,5 0,7 0,9 >. , мкм

Рис. 2. Глубина проникновения излучения через кожную ткань и относительная спектральная чувствительность фотопреобразователя ФП33-1Л

Гемоглобин, билирубин и глюкоза

Гемоглобин (др.-греч. оаца - кровь и лат. globus - шар) - сложный железосодержащий белок животных и человека, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани [9].

поглощение усл. ед

\нь 1 Гемоглобин) /

J {

пш.шщение ус. I. ед

>Т>нн)\

V

400

450

550

Л. НМ

400

450

550

X, нч

Рис. 3. Спектры поглощения: гемоглобина (а); билирубина (б)

При неинвазивном измерении гемоглобина проблемой для получения точных данных может стать эмоциональное состояние пациента. При волнении и возбуждении концентрация крови на единицу по-

б

а

верхности кожи может увеличиваться, человек краснеет, а это вызывает погрешность при определении уровня гемоглобина неинвазивно. На рис. 3, а, представлен спектр поглощения общего гемоглобина.

Билирубин (лат. bilis - желчь и ruber - красный) - один из желчных пигментов. Билирубин является одним из промежуточных продуктов распада гемоглобина, происходящего в макрофагах селезенки, печени и костном мозге (примерно 80%).

Пигментация от билирубина проявляется в верхних слоях кожи. Для неинвазивного измерения билирубина пациенту требуется обескровить участок кожной ткани, приложив давление порядка 105 Па, чтобы исключить погрешность, вызываемую наличием гемоглобина. Максимум поглощения билирубина - 460 мкм (рис. 3, б).

Глюкоза (от греч. glykys - сладкий) (виноградный сахар) - углевод из группы моносахаридов. Глюкоза составляет основу субстрата, необходимого для энергообеспечения и жизнедеятельности клетки. Глюкоза поступает в кровь при всасывании в кишечнике после расщепления углеводов, содержащихся в продуктах питания.

Спектры поглощения глюкозы: Xj =0,83 мкм, X2 =0,94 мкм, X3 =1,03 мкм (рис. 4).

Рис. 4. Спектр поглощения глюкозы

Соединим спектры (рис. 3, 4) на одном рисунке, чтобы наглядно видеть оптимальные длины волн поглощения для каждого из рассматриваемых веществ, которые будут соответствовать светофильтрам 4, 5, 6 (рис. 6), а светофильтр 7 будет соответствовать опорному сигналу в 0,78 мкм.

[Отн. ед.

X светофильтр 4 г; А Oí СИ CEtl горный гнал [п[)ипьтр 7

\ я/ ■ / i с вето ф X 1пьтр ."л юбин CBtT4) Гш / фильтр 6 / 1 окоза / \ / V, X,

450 550 650 750 850 950

Рис. 5. Спектры поглощения билирубина (4), гемоглобина (5), глюкозы (6), а также опорный сигнал (7)

Разработка неинвазивного гемоглюкометра

Во всех неинвазивных оптико-электронных приборах используется источник широкополосного импульсного излучения с дальнейшим анализом поглощения света на определенной длине волны за счет узкополосных интерференционных фильтров и отдельных фотоприемников. Недостатком данного метода является разброс чувствительности фотоприемников, а потому необходимо перед каждым измерением проводить калибрование прибора.

Предложен комбинированный прибор, что позволяет одновременно измерять три параметра: билирубин (X = 0,46 мкм), гемоглобин (X = 0,55 мкм) и глюкоза (X = 0,94 мкм), по отношению к коже X = 0,7 мкм. С помощью одного пространственного линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС) на рис. 6 приведена структурная схема прибора, в состав которого входят оптико-электронный блок (11), блок обработки информации (12), блок индикации на ЖК-индикаторе и блок пи-

тания со стабилизатором от пяти аккумуляторов. Оптико-электронный блок состоит из волоконного фа-кона (3), интерференционных фильтров (4-7), линейного ФПЗС (9), светофильтра (8), который обрезает ультрафиолетовые и инфракрасные излучения, лампы-вспышка с отражателем (10). Внешний вид прибора показан на рис. 7.

"Н

I I ХЛ

3 ••о

I

г-

1<И

Микроконтроллер

АЦП

.А Блок индикации

Блок питания

.Л и!

Рис. 6. Структурная схема гемобилиглюкометра: 1 - исследуемый участок кожи; 2 - подвижное приспособление; 3 - оптоволокно; 4-8 - светофильтры; 9 - приемник излучения; 10 - источник излучения;

11 - оптический блок; 12 - полупроводниковый блок

Блок обработки информации состоит из микроконтроллера и аналогово-цифрового преобразователя. Микроконтроллер предназначен для управления линейным ПЗС, а также для проведения необходимых вычислений по результатам измерений.

Процесс измерения заключается в следующем: прибор приставляется волоконным датчиком к коже пациента, срабатывает лампа-вспышка, и широкополосное излучение через передаточный волоконный канал направляется в кожу пациента. Рассеянный и отраженный оптические сигналы через приемные каналы волоконного фокона и интерференционные фильтры направляются на линейки ПЗС. Крепления волоконного фокона, фильтров и линейного ПЗС осуществляется методом оптического склеивания.

Информация из выхода микроконтроллера поступает на ЖК-индикатор, где высвечивается значение измеряемых параметров в абсолютных величинах: билирубин 0-400 мкмоль/л, гемоглобин 0-300 г/л, глюкоза 0-40 моль/л.

В упомянутых ранее приборах в каждом приемном канале используется узкополосный интерференционный светофильтр с полосой пропускания ±30 нм и своим фотоприемником. Так как чувствительность фотоприемников различна, то в этих приборах необходимо выравнивать чувствительность приемных каналов.

Авторами предложено в качестве фотоприемника использовать один пространственный линейный фотоприемник на приборах с зарядовой связью, к которому путем оптической склейки через интерференционные светофильтры подключены волоконные приемные каналы. В качестве источника света используется широкополосный источник света - лампа-вспышка с оптическим отражателем. Между фоко-ном и лампой-вспышкой устанавливаются обрезающие светофильтры для подавления ближнего ультрафиолетового и инфракрасного излучения (эффект люминисценции кожи).

Как описано выше, кровеносные сосуды залегают на определенных глубинах в коже, поэтому для регистрации рассеянного и отраженного излучений необходима определенная интенсивность излучения для различных длин волн. Кроме того, пигментация от билирубина проявляется в верхних слоях кожи, а гемоглобин и глюкозу необходимо измерять там, где кровеносных сосудов максимум. На качество измерения, особенно при измерении билирубина, очень влияет цвет кожи (тип расы, загар). Таким образом, в процессе измерений надо вносить поправки в виде констант. Поэтому в блоке обработки информации используется микроконтроллер типа ЛУЯ с памятью типа ББРЯОМ, куда можно заносить эти константы. Неинвазивные измерения дают хорошие результаты при измерениях билирубина и гемоглобина на новорожденных детях, т.е. в неонтологии. Если производить измерения на пациентах других возрастных групп, то необходимо учитывать сухость кожи, сальную прослойку и целый ряд других параметров, которые весьма трудно учесть.

В связи с этим авторами была предложена следующая корреляционная методика для старших возрастных групп: разработаны специальные отражающие микрокюветы, которые показали хорошие результаты при измерении билирубина. Иначе говоря, в начале прибором по сыворотке крови в микрокювете определяется концентрация билирубина, а после этого проводятся у того же пациента транскутанные измере-

ния. Устанавливается коэффициент корреляции для данного пациента и вводится поправка в микроконтроллер в виде константы в память ЕЕРЯОМ. Далее измерения у данного пациента проводят неизвазивно.

Рис. 7. Внешний вид гемобилиглюкометра Заключение

Сформулируем основные рекомендации по применению прибора.

- При измерении билирубина необходимо устранить влияние гемоглобина за счет давления (обескровливать участок кожи).

- При измерениях гемоглобина и глюкозы необходимо увеличивать интенсивность излучателя, избегая механического давления на сосуды.

- При применении прибора для различных возрастных групп для получения достоверной информации необходимо для каждого пациента определять коэффициент корреляции «кровь-кожа» с последующим неинвазивным измерением. Коэффициент корреляции вводится в виде констант в вычислитель.

Литература

1. Лабораторные методы исследования в клинике / Справочник. - Под ред. В.В. Меньшикова. - М.: Медицина, 1987.

2. Патент США № 4267844, кл.А61В 5/00.1981.

3. Краснов В.Н., Яринич В.М., Макогон В.И. Анализатор билирубина черезкожный. Авт. свид. СССР, кл.А61В 5/00.1989.

4. Краснов В.Н. Измеритель билирубина неинвазивный ИБН-01 // Педиатрия, акушерство и гинекология (ПАГ). - Кшв, 1993. - № 1. - 60 с.

5. Нормальная физиология: Учебник для студентов университетов / А.В. Коробков, А. А. Башкиров, К.Т. Ветчинкина / Под ред. А.В. Коробкова. - М.: Высшая школа, 1980. - 560 с.

6. Прикладная лазерная медицина: Учебное и справочное пособие / Под ред. Х.-П. Берлиена, Г.Й. Мюллера: Пер. с нем. - М.: Интерэксперт, 1997. - 356 с.

7. Козлов В.И. Взаимодействие лазерного излучения с биотканями // Сборник трудов «Применение низкоинтенсивных лазеров в клинической практике» / Под ред. О.К. Скобелкина. - М.: ГНЦ лазерной медицины, 1997. - С. 24-34.

8. Киселев Г.Л. Моделирование распространения света в биологических тканях // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. - № 1. - С. 10-17.

9. Назаренко Г.И., Кишкун А.А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. - М., 2005.

Кожохина Елена Владимировна - Национальный авиационный университет Украины, ассистент, miosend@mail.ru