Поликомпонентный мониторинг процесса гемодиализа методом УФ-спектрометрии Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 543.422

А. М. Василевский, д-р техн. наук Г. А. Коноплев, канд. техн. наук

Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ»

Поликомпонентный мониторинг процесса гемодиализа методом УФ-спектрометрии

Ключевые слова: гемодиализ, спектральный анализ, ультрафиолетовое излучение, мониторинг

Рассмотрена организация мониторинга экстракорпоральной лечебной процедуры очищения крови больных, страдающих хронической почечной недостаточностью (аппарат «Искусственная почка»), методом абсорбционной спектрофотометрии. Приведены основные структурные схемы многоканального спектро-анализатора и результаты применения информационно-измерительной оптико-электронной системы для мониторинга сеансов гемодиализа в режиме on-line.

Введение

Из многих попыток создания аппаратов и устройств, моделирующих физико-химические и структурные принципы экскреторных органов, максимальный технический прогресс достигнут в аппаратах, которые получили название «Искусственная почка». Принцип работы любого аппарата «Искусственная почка» основан на диффузии низкомолекулярных соединений по осмотическому градиенту и градиенту концентрации из циркулирующей крови, протекающей через специальное устройство — диализатор, содержащее полупроницаемую мембрану, в диали-зирующий раствор (диализат). Вследствие этого в процессе гемодиализа (ГД) происходит элиминация из крови токсических субстанций низкой молекулярной массы посредством диффузии, осмоса и частично конвекции.

Каждый из аппаратов для гемодиализа состоит из двух основных частей, образующих контур экстракорпоральной очистки крови: диализатора, где происходит сам процесс очистки крови, и монитора, позволяющего контролировать и регулировать ход ГД, скорость протекания крови и диализата, его температуру и состав, трансмембранное давление и ультрафильтрацию, целостность диализиру-ющей мембраны и др. В современных аппаратах предусмотрена возможность проведения самотестирования основных узлов и программного обеспечения для максимально быстрого определения неисправных элементов. Кроме того, в мониторах предусмотрена еще одна функциональная часть — контур приготовления диализата из концентратов по ходу проведения процедуры ГД.

В мире существует несколько десятков фирм, специализирующихся на производстве аппаратов «Искусственная почка». Наиболее известными из них являются фирмы «Fresenius» (Германия), «Gambro» (Швеция) и «Baxster» (США). Аппараты разных фирм основаны на

одинаковых принципах работы и различаются только техническими решениями отдельных узлов [1].

Схема циркуляции жидкостей в аппарате А4008С фирмы «Fresenius» — одном из широко используемых в Европе и России аппаратов «Искусственная почка» — представлена на рис. 1. Циркуляция жидкостей в аппарате «Искусственная почка» происходит по двум основным магистралям: диализной магистрали и магистрали по крови.

Диализный контур (магистраль) включает: емкость, содержащую концентрат КТ; пропорциональный насос Н1; устройство смешивания М; дегазационную камеру ДК; насос дегазации Н2; нагреватель Т; балансную камеру БК; датчики контроля проводимости Д1 и температуры Д2; диализатор ДР; насос ультрафильтрации Н3 и насос откачки Н4; детектор на разрыв магистрали Д3. Магистраль по крови содержит роликовый насос РН; датчики артериального Д4 и венозного Д5 давления; оптический детектор ОД.

Принцип работы аппарата состоит в следующем: вода, поступающая в диализную магистраль, смешивается с концентратом и через балансную камеру и систему контроля параметров диализата поступает в диализатор ДР.

Артериальная кровь больного, подключенного к аппарату, контролируется датчиком артериального давления, движется по магистрали за счет работы роликового насоса РН и поступает в диализатор ДР.

Диализатор представляет собой камеру, разделенную пополам специальной мембраной, где в противоположных направлениях текут кровь и диализат. За счет отрицательного давления, создаваемого в диализаторе насосом ультрафильтрации Н3, из крови больного в диализат выводятся излишки жидкости и токсины.

Отработанный диализат проходит балансную камеру БК и сливается, а очищенная кровь, пройдя датчик венозного давления Д5 и оптический детектор ОД, возвращается в организм больного.

Приведенная схема работы аппарата «Искусственная почка» обладает высокой степенью надежности и обеспечивает безопасность пациента в процессе гемодиализа. Процесс длится в среднем от 3 до 5 ч, в зависимости от параметров работы установки, вводимых оператором по указанию лечащего врача.

Эффективность диализного лечения оценивается по количеству выведения уремических веществ. Поскольку мочевина в количественном отношении является основным продуктом катаболизма белка, для определения эффективности диализа руководствуются величиной клиренса диализатора по мочевине. Доза диализа рассчи-

Оптоэлектроника в медицине

Вода

Концентрат

Диализат

Кровь

ДР Д5

im»

ОД

Рис. 11 Схема циркуляции жидкостей в аппарате А4008С фирмы «Fresenius»

тывается по так называемому диализному индексу DI, равному отношению произведения клиренса по мочевине K на продолжительность процедуры t к объему распределения мочевины в организме пациента V-.

DI = KL. V

(1)

При проведении обычного ГД оценка эффективности процедуры проводится косвенным методом, путем ежемесячного забора пробы крови до и после сеанса ГД.

Все косвенные методы расчета эффективности диализа связаны с периодическим забором проб крови или диализата, требуют специально обученного обслуживающего персонала, шприцев, лабораторного оборудования, времени и энергии и, кроме того, не дают возможности управлять и корректировать процедуру гемодиализа в процессе сеанса. Поэтому начиная с 1990-х гг. ведутся интенсивные поиски методов мониторинга процесса ГД в режиме on-line [2-4].

К настоящему времени в мире разработаны четыре системы контроля концентрации мочевины в диализном растворе, гемофильтрате и гемодиафильтрате.

1. BaxsterBiostat. В этой системе датчик подключается после диализатора перед входом в аппарат «Искусственная почка». Пробы диализного раствора регулярно (чаще всего через 30 мин) отбираются и направляются к электроду, чувствительному к аммонию. Электрод покрыт колпачком, содержащим фермент — уреазу. При контакте пробы с колпачком вырабатывается аммоний, который диффундирует через колпачок к электроду. Калибровка датчика мочевины проводится по двум стандартным растворам. Объем с калибровочными растворами, совместно с колпач-

ком, заменяется через каждые 20 измерений. Прибор позволяет измерить начальную концентрацию мочевины в крови пациента до начала сеанса ГД, для чего аппарат «Искусственная почка» включается в режим изолированной ультрафильтрации в начальной фазе сеанса.

2. Biocate Corporation. Система основана на том же принципе действия. Датчик отличается значительно большим по объему патроном с уреазой, а прибор — расширенным диапазоном измерений. Измеряется концентрация мочевины в диализате, ультрафильтрате и гемодиафильтрате.

3. Bellco. Система разработана для использования в режиме «Pair Filtration», при котором сеансу ГД предшествует гемофильтрация. Показания датчика приведены к концентрации мочевины в крови пациента. В системе используется уреазный метод с двумя измерительными ячейками.

4. DQ M200 Gambro. Система основана на измерении электропроводности диализного раствора, возрастающей при разложении мочевины. Датчик расположен на выходе аппарата «Искусственная почка». Дискретно отбирается небольшая проба, которая после термостабилизации направляется через разветвитель в два канала. В первом канале регистрируется электропроводность пробы, во втором — электропроводность пробы после пропускания через уреазный патрон с дополнительной обработкой углекислым газом. Разница в электропроводности растворов пропорциональна концентрации мочевины в диализном растворе.

В 2007 г. фирма «Fresenius» разработала аппарат «Искусственная почка» 4008Н со встроенной системой мониторинга клиренса в режиме on-line, основанной на эквивалентности диффузионного коэффициента иона

4

биотехносфера

| № 1/2009

Оптоэлектроника в медицине

натрия и молекулы мочевины. В ходе сеанса ГД происходит динамическое изменение проводимости диализата, которое фиксируется на входе и выходе диализатора прецизионными датчиками.

Общим недостатком разработанных систем является тот факт, что контроль гемодиализа проводится по единственному параметру — мочевине.

Информационно-измерительная система мониторинга процесса ГД на основе УФ абсорбционного спектрального анализа

Проблема создания информационно-измерительных систем (ИИС) мониторинга ГД в режиме on-line по нескольким уремическим токсинам неинвазивными методами актуальна и является требованием времени.

Одним из реализованных в практическом здравоохранении решений проблемы многокомпонентного анализа состава диализата является разработанная в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» информационно-измерительная система ИИС «Спектр», основанная на абсорбционном спектральном анализе спектров экстинкции диализата в ультрафиолетовой области спектра.

Кварцевая проточная кювета подключается к выходной диализной магистрали аппарата «Искусственная почка». Излучение внешнего источника проходит через диализат, разлагается в спектр, и после обработки полученной информации на экран монитора выводятся данные о составе диализата в текущий момент времени. Структурная схема многоканального спектроанали-затора для исследования спектров пропускания и поглощения биологических сред представлена на рис. 2.

В обобщенном виде алгоритм организации измерений спектров пропускания (спектров поглощения)

биологических сред для их последующей обработки представлен на рис. 3. Измерительная система многоканального спектроанализатора может применяться как в ручном (при использовании сменных кювет с исследуемой средой), так и в автоматическом (при использовании проточной кюветы, подключенной к исследуемому процессу) режимах. В первом случае в ходе исследуемого процесса отбирается серия проб диализата, после чего в дискретном режиме измеряются спектры пропускания. В автоматическом режиме исследуемая среда непрерывно поступает в проточную кювету, а процедура измерений проводится по сигналу таймера через заранее установленные временные промежутки.

На рис. 4 представлены спектры поглощения диализата на выходе аппарата «Искусственная почка» в процессе одного из сеансов ГД. Диализная жидкость на входе диализатора практически не поглощает излучения в области длин волн, больших 200 нм. В начальной фазе ГД, когда концентрация низкомолекулярных веществ в крови высока, в выходном диализате отмечается сильное поглощение. В ходе сеанса концентрация элиминированных веществ в крови уменьшается, что регистрируется как снижение спектрального поглощения в диализате со временем.

Методика поликомпонентного спектрального анализа

Поликомпонентный спектральный анализ спектров реализуется по оригинальной методике [7] и позволяет в реальном масштабе времени рассчитать концентрацию нескольких компонентов, присутствующих в диализате: мочевой кислоты (Ае11г), креатинина (Сг), мочевины (11г) и фосфатов (РИ).

Источник питания лампы

Многоканальный спектроанализатор

я и н е ч аа м чк те пуч ст п р то

луч 3 и к и н 4 ия с и ая ан ка в ск ров ер чи Кювета ■ ат м о нохро н 4 ПЗС

точ с ич м пти ор 1 ] о Мо

И О

Контроллер

Блок управления узлами монохроматора

Монитор

с л

ПК

V J

Блок выходных данных

Рис. 2\ Структурная блок-схема многоканального спектроанализатора

11. Выходной файл

Рис. 3

Алгоритм управления и организации измерений спектров автоматизированной многоканальной спектральной системой

При разработке методики учтены следующие характерные особенности жидких биологических сред, к которым с определенными допущениями может быть отнесен диализат:

спектральная информация о составе исследуемой среды рассредоточена в широком интервале длин волн;

наличие межмолекулярных взаимодействий приводит к отклонению от закона Бера и принципа аддитивности;

кроме определяемых компонентов исследуемая среда содержит также мешающие компоненты, спектральные характеристики и концентрация которых неизвестны.

Ультрафиолетовый спектр поглощения можно рассматривать как функцию зависимости показателя поглощения от длины волны кЛ(Х), заданную в интервале длин волн ХГ..Х2. При использовании спектрофотометров на основе многоэлементных приемников излучения функция кЛ(Х) определена в конечном числе точек {дискретных длин волн) и трансформируется в вектор к размерностью N равной числу элементов

200

250

300

Длина волны, нм

350

400

Рис. 4

Динамика УФ-спектров поглощения диализата сеанса гемодиализа (цифрами отмечено время в минутах после начала сеанса)

" С1" " к1"

к = Г С; С = ; к =

кМ'

фотоприемника. Направление вектора характеризует форму спектра, а его длина — общий уровень поглощения.

В наиболее общем виде модель поглощения М-ком-понентной среды можно представить в виде математического оператора Г, преобразующего вектор концентраций компонентов С в вектор значений показателя поглощения к:

(2)

При соблюдении закона Бугера—Ламберта—Бера и принципа аддитивности, лежащих в основе классического абсорбционного спектрального анализа, Г является линейным оператором. В сложных средах данные условия не выполняются, и необходимы более развитые модели, предполагающие наличие нелинейной зависимости показателя поглощения от концентрации. Построение таких моделей требует значительных усилий даже для однокомпонентных сред, а для многокомпонентной среды, состав которой изменяется произвольно, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, которая в настоящее время не решена.

Задача количественного спектрального анализа заметно облегчается, если априори известно, что процессы изменения концентрации компонентов анализируемой среды носят в той или иной степени согласованный характер. В частности, проведенные исследования показали, что для диализата характерно постоянство формы спектра при значительных вариациях общего уровня поглощения. Данный факт обусловлен тем, что концентрации информативных (оказывающих заметное влияние на спектр поглощения) компонентов в ходе сеанса диализа изменяются приблизительно пропорционально.

биотехносфера

I № 1/2009

Вначале рассмотрим однокомпонентные среды. Разложим зависимость в ряд Тейлора по степеням концентрации:

kx(C ) = eC +2

1

dC2

2 1 d3 C 2 + 1—

с=0

dC3

с=0

с3+A- ^

24

dC4

C4 + .

(3)

C=0

Коэффициент разложения первого порядка представляет собой молярный показатель поглощения классического закона Бугера—Ламберта—Бера. При малых концентрациях члены высших порядков пренебрежимо малы, зависимость к^(С) можно считать линейной, и выражение обращается в закон Бугера—Ламберта— Бера. С ростом концентрации вклад членов высших порядков становится заметным. В работе показано, что для исследуемых сред в разложении можно ограничиться первыми двумя членами. Коэффициент разложения второго порядка назовем молярным показателем поглощения второго порядка е'

(2) .

kx(N ) = exN + e<2)/V 2.

(4)

Молярные показатели спектрального поглощения первого и второго порядка не могут быть рассчитаны теоретически, поэтому параметры модели применительно к конкретной среде должны быть определены экспериментально в ходе градуировки. Для этого необходимо приготовить набор из I проб исследуемой среды с известной концентрацией, измерить их спектры и определить границы информативной спектральной области. На каждой длине волны информативного спектрального диапазона составим систему уравнений, решая которую методом наименьших квадратов можно вычислить спектральные компоненты вектора молярных показателей поглощения ел:

C C2" р(2) = "

_CLCL2 _ _ L _ _ kL _

•Сел= k

= (C7C)CTkL. (5)

Переходя к поликомпонентным средам по аналогии с (4), имеем

№.C2.....CN) = + e®C2) + X X ejjCCj, (6)

i=1

N N

i=1 j=1 j * i

где ejL =

d2k

L--молярный показатель поглощения

ЭС1ЭС]

второго порядка, учитывающий взаимодействие между /-м иу-м компонентами среды; ей и е— молярные показатели поглощения первого и второго порядка для /-го компонента; N — число компонентов.

Рассмотрим случай, когда необходимо определить концентрацию только одного компонента поликомпо-

нентной среды, поглощение излучения которым вносит наибольший вклад в суммарное поглощение среды в используемой для анализа спектральной области. Условно все мешающие компоненты можно разделить на две группы: 1) группа компонентов, концентрация которых изменяется от пробы к пробе пропорционально изменениям концентрации определяемого компонента; 2) группа компонентов, концентрация которых изменяется независимо от концентрации определяемого компонента. Выразим концентрации компонентов первой группы через концентрацию определяемого компонента Ci = gC, причем g = const; концентрации компонентов второй группы заменим их средними значениями для исследуемой среды C; = C;. Элементарные преобразования выражения (6) дают

ВД = + ((■+.Дел) C+(e(2)+Aef) C2.

(7)

Таким образом, вклад в поглощение среды всех компонентов, за исключением определяемого, может быть учтен введением в зависимость (4) всего трех дополнительных коэффициентов — поправок к молярным показателям поглощения определяемого компонента Аел и Ае^, учитывающих интегральный вклад компонентов первой группы, и постоянной составляющей , учитывающей интегральный вклад компонентов, отнесенных ко второй группе. Вышеуказанные коэффициенты являются характеристикой не конкретного вещества, а исследуемой среды в целом и будут неодинаковыми по значению для одного и того же определяемого компонента в различных средах. Они не могут быть рассчитаны теоретически и должны быть определены из экспериментальных данных в ходе градуировки самостоятельно для каждой исследуемой среды.

Градуировка проводится по набору проб поликомпонентной среды, концентрация определяемого компонента в которых измерена одним из биохимических методов. Предварительно для определяемого компонента в ходе исследования однокомпонентных модельных растворов вычисляют молярные показатели поглощения первого и второго порядка. Поправки , Аея, Ае^2) находят из системы уравнений, аналогичной системе (5), с помощью метода наименьших квадратов.

Процедура вычисления концентрации по измеренному спектру для простых моделей, таких как закон Бугера—Ламберта—Бера, сводится к применению обратного оператора к вектору значений показателя поглощения С = Р. Предложенная модель представляет собой оператор, который аналитически не может быть обращен, поэтому для расчета концентрации необходимо использовать метод оптимизации. Подставляя концентрацию в разложение (7), можно рассчитать и восстановить спектр поглощения кг = РС во всем информативном спектральном диапазоне. Варьируя элементы вектора С и добиваясь наилучшего совпадения измеренного к и рассчитанного кг спектров, можно вычислить концентрацию основного компонента. Общепринятым численным критерием степени идентичности восстановленного и экспериментально зарегист-

рированного спектра является квадрат модуля разности векторов к и кг:

А =

k-kг

™2 2

(-г'пЫ-г'П2)Ы2), (8)

п=Л-,

где Л1, Л2 — номера элементов фотоприемника, соответствующие границам информативного спектрального диапазона АГ.А2.

Для оценки степени достоверности полученных результатов необходимо вычислить коэффициент подобия формы восстановленного и реального спектров Б (к, кг), под которым здесь понимается нормированное скалярное произведение векторов к и кг. Коэффициент подобия зависит только от формы спектральной кривой и не зависит от общего уровня поглощения:

Б(к, кг) = 1000-

л2

: кпкп

п=Л1

1

(9)

: ъ )2: к

п=Л.

п=Л.

В том случае, если значение коэффициента подобия превышает пороговое значение Б(, результат расчета концентрации можно считать достоверным. Конкретное значение St определяется экспериментально исходя из особенностей анализируемых сред и рабочего интервала длин волн. Наши исследования показали, что для многокомпонентных сред пороговый коэффициент подобия St целесообразно выбирать равным 950.

Описанная методика реализована как составная часть разработанного авторами программного продукта для обработки УФ-спектров экстинкции жидких сред.

Результаты испытаний ИИС «Спектр» в клинических условиях

В табл. 1 для сравнения представлены результаты анализа состава проб биохимическим методом и результаты спектрального анализа по предложенной методике.

Динамика изменения концентрации компонентов по ходу ГД в реальном масштабе времени выводится на экран монитора, что позволяет врачу корректировать лечебные мероприятия. Обобщенная блок-схема мониторинга процедуры гемодиализа методом УФ-спектро-метрии представлена на рис. 5. Общий вид ИИС «Спектр» приведен на рис. 6.

Информационно-измерительная система ИИС «Спектр» прошла клинические испытания в Городском центре гемокоррекции (Санкт-Петербург). С 2005 г. сис-

' 4 -

11

10

5 6 7 8

К:

Сток

Рис. 5

Блок-схема системы мониторинга процедуры гемодиализа, реализованной в ИИС «Спектр»:

1 — пациент; 2 — аппарат «Искусственная почка», подключенный к кровеносной системе больного; 3 — диализный контур диализатора; 4 — система подготовки диализного раствора; 5 — источник излучения; К — проточная кювета с исследуемой средой; 6 — приемно-регистрирующая система многоканального спектроана-лизатора; 7 — блок обработки; 8 — ЭВМ; 9 — информация, предоставляемая врачу; 10 — коррекция режима работы аппарата «Искусственная почка»; 11 — коррекция лечебных мероприятий

9

1

3

2

Таблица 1 Контрольный мониторинг состава диализата сеанса гемодиализа: сравнение данных биохимического анализа и результатов спектрального анализа по предложенной методике

Время пробы, мин иг Сг Асиг РИ

Биохимический анализ Спектральный анализ Биохимический анализ Спектральный анализ Биохимический анализ Спектральный анализ Биохимический анализ Спектральный анализ

Концентрация, ммоль/л

5 11,6 11,6 0,31 0,300 0,09 0,090 0,1 0,102

30 8,3 8,3 0,21 0,210 0,06 0,070 0,09 0,089

60 7,1 6,8 0,18 0,183 0,06 0,045 0,09 0,080

90 5,8 5,9 0,16 0,153 0,05 0,051 0,08 0,080

120 4,8 4,8 0,15 0,138 0,04 0,029 0,08 0,071

150 3,9 4,0 0,12 0,117 0,04 0,028 0,07 0,067

180 3,8 3,8 0,12 0,111 0,03 0,029 0,04 0,059

210 3,3 3,3 0,11 0,099 0,03 0,025 0,04 0,060

биотехносфера | № 1/2009

Keshaviah P. R., Ebben J. P., Emerson P. F. Online monitoring of the delivery of the hemodialysis prescription// Pediatr.Nephrol. 1995, v. 9 Suppl. Р. S2-S8.

Model based dialysis adequacy prediction by continuous dialysate urea monitoring/L. Chiari, A. Cappello, R. Tartarini [et al]// Int. J. Artif. Organs. 1998, v. 21. Р. 526534.

Continuous urea monitoring in hemodialysis: a model approach to forecast dialytic performance. Results of a multicenter study/G. Arrigo, G. Tetta, A. Santoro [et al]// Journal of Nephrology. 2001, v. 14. P. 481-487. Vasilevsky A. M., Konoplev G. A. Peculiar character of dialyzate ultraviolet extinction spectra as an indicator of nucleic acids metabolism in humans//Journal of biomedical optics. 2005, v. 10. P. 44-54.

Василевский А. М. Информационно-измерительная система мониторинга сеанса гемодиализа по спектрам эк-стинкции в УФ области спектра//Информ.-управляю-щие системы. 2003, № 1. С. 40-46. Василевский А. М., Коноплев Г. А. Оптико-электронная информационно-измерительная система анализа поликомпонентных сред по доминирующей компоненте методом абсорбционного спектрального анализа в УФ об-ласти//Информ.-управляющие системы. 2006, № 1. С. 48-54.

КАК ОФОРМИТЬ ПОДПИСКУ?

• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) и «Прессинформ» (по Санкт-Петербургу и Ленобласти) — индекс № 45886

• Через Интернет:

по электронному каталогу «Книга-сервис» www.akc.ru — индекс № 29877

• Через редакцию, отправив по факсу (812) 312-57-68 или электронной почте [email protected] заполненный запрос счета на подписку

Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»

Полное название организации_

Юридический адрес_

Банковские реквизиты_

Адрес доставки.

Срок подписки

Тел._

Ф. И. О. исполнителя.

Стоимость одного номера журнала 550 руб. (в том числе НДС 10 %) с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год

Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.

Для ознакомления высылаем по заявке бесплатно один номер журнала.

Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.

Рис. 61 ИИС«Спектр»для мониторинга ГД

тема используется для мониторинга сеансов ГД в госпитале ветеранов войн № 2 Москвы.

В настоящее время в ЗАО «Новомед» (Москва) ведутся работы по параллельным мониторингам сеансов ГД, проводимых в одном помещении на нескольких аппаратах «Искусственная почка», подключенных к общей ИИС «Спектр».

|Л и т е р а т у р а I

1. Чупрасов В. Б. Программный гемодиализ. СПб.: Фолиант, 2001. 256 с.

_Кол-во экз._

Факс e-mail