Неинвазивный масс-спектрометрический метод измерения чрезкожного выделения CO2 Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ISSN 0868-5886 НА УЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2017, том 2 7, № 4, с. 102-106 = ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ =_=

УДК 543.51: 76.29.44

© А. Ю. Елизаров|, В. А. Елохин, В. А. Николаев, Т. Д. Ершов,

И. И. Фаизов, А. И. Левшанков, А. В. Щеголев

НЕИНВАЗИВНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЧРЕЗКОЖНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ С02

Проведено исследование возможностей применения масс-спектрометра с мембранным интерфейсом для не-инвазивного измерения чрезкожного выделения С02 человека. В результате разработана методика чрезкож-ных измерений на уровне верхней трети предплечья верхних конечностей, проведен анализ воспроизводимости результатов. Выполнена калибровка измерительной аппаратуры и проведены опытные клинические измерения. Полученные результаты проанализированы и им дана предметная интерпретация. Разработанный метод может быть рекомендован к внедрению в клиническую практику.

Кл. сл.: масс-спектрометр, мембранный интерфейс, углекислый газ

ВВЕДЕНИЕ

Создание простого, неинвазивного метода измерения чрезкожного выделения С02 является важной задачей для практической анестезиологии. Уровень чрезкожного выделения С02 является важным параметром оценки глубины анестезии при гипоксии или оценки состояния пациента при задержке дыхания.

Увеличение выдыхания пациентом С02 может быть результатом его повышенной продукции из-за недостаточной глубины анестезии, гипертермии, гиповентиляции, ухудшения перфузии или увеличения мертвого пространства из-за снижения сердечного выброса, легочной эмболии (закупорка тромбом артериального русла), а также возрастанием скорости метаболизма в результате реакции пациента на стрессовое воздействие (боль, страх, хирургическая травма и тому подобное) [1].

Чрезкожное выделение С02 является индикатором метаболических процессов, таких как доставка кислорода к тканям и кардиореспираторная функция [2].

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для разработки неинвазивной методики измерения чрезкожного выделения С02 был использован квадрупольный масс-спектрометр "Микропор" (АО "Научные приборы") с электронной ионизацией, оснащенный мембранным интерфейсом, который позволяет определять концентрацию выделенного через кожу СО2 в широком динамическом диапазоне в режиме реального времени [3].

Мембранный интерфейс представляет собой вакуумную камеру объемом 2 см3. На стенке этой камеры расположен фланец с мембраной. В интерфейсе использовалась силиконовая (polydimethyl-siloxane) мембрана толщиной 150 мкм (Specialty Silicone Products) и площадью 1 см2, которая фиксировалась на фланце интерфейса при помощи титановой пористой пластины с диаметром пор 200 мкм (см. рис. 1). Корпус интерфейса выполнен из высокопрочной пластмассы полиэфирэфирке-тон (PEEK). Интерфейс соединен с вакуумной камерой масс-спектрометра фторопластовой трубкой

Рис. 1. Вид масс-спектрометра "Микро-пор" с мембранным интерфейсом и капилляром

Концентрация перфтортрибугиламина, мкг/л

Рис. 2. Зависимость ионного тока детектора масс-спектрометра от концентрации пер-фторбутиламина

длиной 80 см и внутренним диаметром 1 мм. Камера масс-спектрометра откачивалась при помощи турбомолекулярного насоса, со скоростью 80 л/с. Вакуум в камере масс-спектрометра составлял 2-10-5 Торр.

Для калибровки квадрупольных масс-спектрометров используются модельные соединения, например, перфтортрибутиламин. Измерение концентрации перфтортрибутиламина проводилось

в потоке азота 100-1000 мл/мин, который обеспечивался генератором микропотока ГГС-Р (ООО "Мониторинг"). Зависимость ионного тока от концентрации перфтортрибутиламина была получена по массовым пикам 131 m/z и 219 m/z в диапазоне концентраций от 1 мг/л до 7 мг/л (см. рис. 2).

Калибровка масс-спектрометра для измерения постоянной времени выполнена при помощи потока газовой смеси, содержащей СО2 (N2 — 65 об.%; O2 — 30 об.%; СО2 — 5 об.%) (АО "Научные приборы"). Трубка с газовой смесью была соединена с камерой на фланце, в которой был установлен газодинамический интерфейс. Калибровка масс-спектрометра для измерения концентрации чрезкожного выделения СО2 была выполнена измерением времени натекания атмосферного воздуха через мембрану в камеру фиксированного объема, в которой было создано давление 10-3 Торр.

На рис. 3 представлены результаты измерения постоянной времени измерений концентрации СО2 при помощи мембранного интерфейса, которая определяется временем прохождения СО2 через мембрану и капилляр и составила 25 с (см. рис. 3). Постоянная времени измерений была стабильна с точностью 2-3 % от амплитуды сигнала по своему значению для ряда импульсов (9 имп.).

СО,

5 -

4-

Ю

О

3-

г* О -

о 2 -

2

4-

оЮ О / 25 с

о" 2" и

ю

20

30

40

50

Время, с

-,-!-,-!-,-!-,-!-,

200 400 600 800

Время, с

Рис. 3. Временные характеристики мембранног о интерфейса. Постоянная времени мембранного интерфейса (а). Концетрация СО2 при подаче меандра газовой смеси на мембранный интерфейс (б)

а

б

104

|А. Ю. ЕЛИЗАРОВ|, В. А. ЕЛОХИН, В. А. НИКОЛАЕВ и др.

Ч/г

Рис. 4. Зависимость концентрации СО2 на коже левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при температуре тела 36.7 (1) и 45 °С (2)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ

Чрезкожное выделение СО2 оценивалось на двух верхних конечностях на уровне верхней трети предплечья при условии нормальной комнатной температуры и нормальной температуры тела (рис. 4), а также при нагревании верхней конечности на уровне верхней трети медиальной поверхности правого предплечья до 45 °С. Для подтверждения воспроизводимости результатов измерения было выполнено 10 циклов измерений. Разброс результатов измерений

концентрации СО2 составлял не более 4 %.

На рис. 4 представлен масс-спектр чрезкожного выделения С02 при различных условиях: 1 — в нормальных условиях (температура в помещении 22 °С, температура тела 36.7 °С); 2 — при моделировании изменений условий (температура верхней конечности — до 45 °С). Отношение интенсив-ностей выделения СО2 при температурах 36.7 и 45 °С составляло по результатам 10 измерений 2.5 ± 0.3. Эффект увеличения чрезкожного выделения СО2 обусловлен вазодилатацией кровеносных капилляров, вызванной увеличением проницаемости мембран эпителия под термическим воздействием.

В настоящей работе была разработана и применена методика регистрации СО2 при исследовании реакции чрезкожного выделения в ответ на задержку дыхания длительностью до 60 с. Выполнено 15 измерений, типичные результаты 2 из них приведены на рис. 5 и 6. Было зарегистрировано, что в ответ на задержку через 8-10 с от начала задержки дыхания происходит снижение амплитуды чрезкожного выделения СО2 в пределах 10 %. Возобновление дыхания с вероятностью 50 % сопровождалось, резким подъемом чрезкожного выделения СО2 (см. рис. 5, 6). Затем происходит возвращение к прежним параметрам выделения углекислого газа. В результате этого исследования доказано, что задержка дыхания приводит к снижению чрезкожного выделения СО2 и, таким образом, воздух из остаточного объема легких не участвует в процессе газового метаболизма и не приводит к чрезкожному выделению СО2.

0.00080 0.00075

Время, с

Рис. 5. Зависимость концентрации СО2 на коже левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при задержке дыхания на 80 с (реализация 1)

0.001800.001755!

9 П.ПЩЧЬ

о

¿н !11]1.11<о.

5!

^ [ик.пм]. 0.00155 ■ 0.001500.00145 ■ 0.001400.00135 ■

Начало

задержки

дыхания

Время, с

Рис. 6. Зависимость концентрации СО2 на коже левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при задержке дыхания на 80 с (реализация 2)

1

2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Разработан и показан метод неинвазивного измерения чрезкожного выделения CO2 в режиме реального времени на основе масс-спектрометра. Была показана воспроизводимость результатов применения методики при определении чрезкожного выделения CO2 на правой и левой верхней конечностях на уровне верхней трети. Показано, что выделение СО2 увеличивается при согревании конечности, что, вероятнее всего, обусловлено увеличением капиллярного кровообращения конечности. Определено, что имеется зависимость чрезкожного выделения СО2 от характера дыхания на примере задержки дыхания на 60 с. Продемонстрировано, что в случае задержки дыхания реакция чрезкожного выделения СО2 на гипоксию регистрируется в пределах 10 с от начала.

Предложенный масс-спектрометрический метод неинвазивного мониторинга кожного дыхания в режиме реального времени позволяет не только создать прибор с широкими возможностями диагностики различных заболеваний на ранней стадии, но и разработать универсальный комплекс по экспресс-обнаружению микропримесей в газовых смесях, который может использоваться в медицине, криминалистике, экологии, а также при оснащении лабораторий в ВУЗах для обучения студентов.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, проект 16-08-00537.

1. Krauss B., Hess D.R. Capnography for procedural sedation and analgesia in the emergency department // Annals of Emergency Medicine. 2007. Vol. 50, no. 2. P. 172-181.

2. Alkalay I., Suetsugu S., Constantine H., Stein M. Carbon dioxide elimination across human skin // Am. J. Physiol. 1971. Vol. 220, no. 5. P. 1434-1436.

3. Елохин В.А., Ершов Т.Д., Елизаров А.Ю. Применение мембранного сепараторного интерфейса для масс-спектрометрического анализа анестезиологических препаратов в биологических жидкостях // Научное приборостроение. 2014. Т. 24, № 2. С. 118-122. URL: http://213.170.69.26/mag/2014/abst2.php#abst15.

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург (|Елизаров А.Ю. |)

ЗАО "Научные приборы", г. Санкт-Петербург

(Елохин В.А., Николаев В.А., Ершов Т.Д.)

Военно-медицинская академия, г. Санкт-Петербург

(Фаизов И.И., Левшанков А.И., Щеголев А.В.)

Контакты: Ершов Тимофей Дмитриевич, ershov_t@sinstr. ru

Материал поступил в редакцию: 19.09.2017

ISSN0868-5886 NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2017, Vol. 27, No. 4, pp. 102-106

NON-INVASIVE MASS SPECTROMETRIC METHOD OF MEASUREMENT SKIN SECRETION CO2

A. Yu. Elizarov1, V. A. Elokhin2, V. A. Nikolaev2, T. D. Ershov2

3 3 3

I. I. Faizov , A. I. Levshankov , A. V. Schegolev

lIoffe Physical Technical Institute of the RAS, Saint-Petersburg, Russia 2AO Scientific Instruments, Saint-Petersburg, Russia 33Military Medical Academy of St. Petersburg, Russia

The possibility of using a mass spectrometer with a membrane interface for a non-invasive measurement of the skin secretion CO2 of a healthy human. As a result, the technique of percutaneous measurement at the level of the upper third of the forearm of the upper limbs was developed, and the reproducibility of the results was analyzed. Calibration of measuring equipment was carried out and experimental clinical measurements were carried out. The results obtained are analyzed and given a substantive interpretation. The developed method can be recommended for implementation in clinical practice.

Keywords: mass spectrometer, membrane interface, carbon dioxide

REFERENCES

1. Krauss B., Hess D.R. Capnography for procedural sedation and analgesia in the emergency department. Annals of Emergency Medicine, 2007, vol. 50, no. 2, pp. 172— 181.

2. Alkalay I., Suetsugu S., Constantine H., Stein M. Carbon dioxide elimination across human skin. Am. J. Physiol., 1971, vol. 220, no. 5, pp. 1434-1436.

3. Elokhin V.A., Ershov T.D., Elizarov A.Yu. [Application interface membrane separator mass-spectrometric analysis of anesthetic drugs in biological fluid]. Nauchnoe Pribo-rostroenie [Scientific Instrumentation], 2014, vol. 24, no. 2, pp. 118-122. (In Russ.). URL: http://213.170.69.26/en/mag/2014/abst2.php#abst15.

Contacts: Ershov Timofey Dmitrievich, ershov_t@sinstr. ru

Article received in edition: 19.09.2017