Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса гемодиализа
На правах рукописи
Степанова Оксана Сергеевна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БИСПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ГЕМОДИАЛИЗА Специальность:
05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2013 2
Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» Научный руководитель – доктор технических наук, доцент, Василевский Александр Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Сидоренко Владимир Михайлович, заведующий кафедрой инженерной защиты окружающей среды Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)».
доктор технических наук, профессор Яськов Андрей Дмитриевич, профессор кафедры твердотельной оптоэлектроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».
Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт аналитического приборостроения Российской академии наук.
Защита состоится 5 июня 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.09 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)».
Автореферат разослан 25 апреля 2013 года.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Садыкова Е.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В настоящее время основным способом поддержания жизни больных с терминальной стадией хронической почечной недостаточности (ХПН) является заместительная почечная терапия. Наиболее распространенными в практической медицине методами такой терапии являются классический гемодиализ (ГД) и его модификации, например гемодиафильтрация (ГДФ), реализуемые на аппаратах «Искусственная почка» (ИП).
Гемодиализ – высокотехнологичная процедура, связанная с использованием многокомпонентного оборудования и обеспечивающая возможность проведения экстракорпорального очищения крови больных ХПН от уремических токсинов и удаления излишков воды из организма пациента. Процесс ГД проводится обычно раза в неделю и длится в среднем от 3 до 5 часов в зависимости от рекомендаций лечащего врача.
Несмотря на значительный прогресс в создании нового поколения аппаратов ИП, остается открытым вопрос оценки адекватности диализной терапии.
Общепринятый метод оценки адекватности ГД связан с ежемесячным лабораторным анализом проб крови до и после процедуры. Данный подход не позволяет осуществлять непрерывный контроль хода процедуры и коррекцию параметров процесса ГД в режиме реального времени.
Оценить ход диализа позволяет мониторинг содержания в оттекающем диализате элиминировавших из крови субстанций низкой молекулярной массы.
Отработанный диализат представляет собой сложную поликомпонентную биосреду, поэтому осуществление мониторинга его состава одновременно по нескольким показателям является на данный момент трудно разрешимой задачей.
Среди наиболее значимых маркеров процесса детоксикации в ходе процедуры ГД выделяют мочевину, креатинин и мочевую кислоту.
Существующие на сегодняшний день системы мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин обладают рядом недостатков.
Системы, построенные на базе электрохимических датчиков мочевины, технически сложны, не могут быть интегрированы в диализную машину, требуют применения дорогостоящих расходных материалов. Кондуктометрические системы, в которых измеряется ионный диализанс натрия, а также системы, в которых измеряется коэффициент пропускания диализата на длине волны 285 нм, определяют относительное изменение содержания мочевины.
Наиболее развернуто мониторинг состава диализата реализуется с применением систем, включающих в себя ультрафиолетовый (УФ) спектрофотометр. Проточная кювета спектрофотометра соединена с выходной магистралью аппарата ИП. В ходе сеанса ГД, через равные промежутки времени производится измерение спектра пропускания оттекающего диализата, и по специальному алгоритму рассчитывается концентрация одного или нескольких веществ. Такие системы не требуют применения расходных материалов, не содержат сложных механических или гидравлических узлов. К их недостаткам относят высокую стоимость, сложность спектрофотометра и ряд эксплуатационных проблем.
Одним из возможных путей развития спектрофотометрических систем мониторинга является переход от исследований качественного и количественного состава диализата в широком спектральном диапазоне к анализу пробы в узких участках спектра.
Развитие технологий производства УФ узкополосных твердотельных источников излучения (светодиодов) открывает перспективное направление по созданию компактных сравнительно недорогих оптических датчиков. Возможность интеграции в аппарат ИП систем на основе УФ светодиодов для мониторинга содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате в режиме «on-line» вызывает необходимость разработки новых методов обработки спектральной информации в узких (5…10 нм) интервалах для контроля процесса ГД.
Цель диссертационной работы – разработка и исследование биспектрального метода определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии;
создание технических средств, обеспечивающих мониторинг процесса ГД в режиме реального времени.
Основные задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, включают в себя следующее:
- установление корреляционной зависимости динамики спектрального поглощения диализата в УФ области и концентраций выводимых токсинов (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД. Обоснование выбора мочевой кислоты в качестве уремического маркера, по которому будет осуществляться мониторинг процесса детоксикации;
- исследование спектральных характеристик поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата, разработка математических моделей спектрального поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата;
- определение информативных диапазонов, определяющих характер спектрального поглощения мочевой кислоты в оттекающем диализате;
- разработка биспектрального метода определения мочевой кислоты в пробах отработанного диализата;
- разработка аппаратных и программных компонентов биспектральной системы для контроля процесса ГД в режиме реального времени;
- экспериментальная апробация биспектральной системы в клинических условиях.
Объектом исследования является биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты для контроля процесса гемодиализа в режиме реального времени.
Предметом исследования является информационное, методическое, инструментальное и алгоритмическое обеспечение биспектральной системы мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы абсорбционного спектрального анализа по электронным спектрам поглощения, аналитические методы аппроксимации функций многих переменных, методы оптимизации, статистические методы оценки степени достоверности результатов.
Новые научные результаты:
- Предложена методика классификации спектров диализата по форме кривой поглощения, учитывающая индивидуальные особенности УФ спектров поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН и получающих лечение методом ГД.
- При анализе спектров поглощения гемодиализата введено понятие псевдокомпонента NK, представляющего собой совокупность нескольких компонентов. Концентрация этих компонентов невелика, их комбинация определяет индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата. Экспериментальным путем был получен УФ спектр поглощения псевдокомпонента NK.
- Разработан биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты в поликомпонентных средах, основанный на регистрации коэффициентов пропускания в двух узких спектральных диапазонах в УФ области спектра.
Предложенный метод учитывает индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата пациентов в пробах диализата.
- Разработана биспектральная оптико-электронная система для контроля процесса ГД в режиме реального времени. Конструкция системы представляет собой проточную кварцевую кювету, включенную в выходную магистраль аппарата ИП, через которую попеременно проходит УФ излучение двух светодиодов. Выходные сигналы фотоприемника регистрируются через установленные промежутки времени (не менее 10 с), обрабатываются, и по значениям коэффициентов пропускания диализата в спектральных диапазонах, соответствующих потоку излучения светодиодов, осуществляется мониторинг концентрации мочевой кислоты в процессе сеанса ГД.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработанная биспектральная система позволяет осуществлять контроль и оценку эффективности процесса ГД в режиме реального времени.
Предложенная биспектральная методика позволяет проводить анализ низкомолекулярных жидких поликомпонентных сред для нужд клинико биохимических лабораторий учреждений практического здравоохранения.
Практическая ценность и новизна подтверждается тем, что на основе предложенного метода разработана биспектральная система, защищенная патентом на полезную модель (№ 121373 от 20.10.2012).
Научные положения, выносимые на защиту:
- при организации мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин необходимо учитывать индивидуальные особенности УФ спектров поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН и получающих лечение методом ГД. Одним из возможных критериев классификации индивидуальных особенностей по форме спектрограмм поглощения диализата в области 260…290 нм является знак производной коэффициента поглощения по длине волны;
- для количественного определения содержания мочевой кислоты в низкомолекулярных жидких поликомпонентных средах целесообразно, помимо известного информативного спектрального диапазона в УФ области спектра 285…295 нм, использовать область спектра 260…270 нм;
- биспектральный метод для организации количественного мониторинга мочевой кислоты в ходе процесса ГД в режиме «on-line».
Внедрение результатов работы Разработанная по результатам исследований биспектральная система внедрена в практику работы отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница» для мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте, что подтверждено актом внедрения. Система была использована для исследования влияния физической нагрузки во время сеанса ГД на процессы детоксикации.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР СПбГЭТУ КЭОП-43, 2012 г., гос. рег. №01201155584 («Разработка теоретических основ создания и применения систем квантовой и оптической электроники с использованием нанотехнологий для исследования и неразрушающегося контроля экологических, культурных и биологических объектов», ПСР-КЭОП-2012 (Научно образовательная платформа «Биомедицинские технологии» «Разработка и исследование двухволнового оптического сенсора для on-line мониторинга состава низкомолекулярных биосред в процессе экстракорпоральной детоксикации», проект 2.1.6-ФЭЛ-КЭОП 2012), НИОКР по теме «Разработка биспектрального метода мониторинга мочевой кислоты в процессе гемодиализной процедуры» по программе «УМНИК» 2012 г., НИОКР по теме «Разработка оптического сенсора для контроля процесса гемодиализа в режиме реального времени» по программе «УМНИК» 2013г., а также в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2009-2013 гг.);
научно технических конференциях НТОРЭС им. А.С. Попова (2010-2012 гг.);
XIV Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM’ (Санкт-Петербург, 2011 г.);
Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.);
Всероссийской научной школе по биомедицинской инженерии БМИ (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.);
конференции «Региональная информатика-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.);
VIII Российско Баварской конференции по биомедицинской инженерии (Санкт-Петербург, г.);
V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк Московской области, 2012 г.);
49-th European Renal Association - European Dialysis and Transplant CONGRESS (Париж, 2012 г.);
XI Baltic nephrology conference (Тарту, 2012 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК, 1 патент, публикаций в трудах международных и национальных научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы, включающего 70 наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 22 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, определены цели и задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание глав диссертации.
приведены сведения о гемодиализе, как В первой главе высокотехнологичной процедуре, направленной на поддержание жизни больных с терминальной стадией ХПН. Анализируются современные способы контроля хода процедуры. Указывается необходимость контроля ГД по параметрам адекватности в режиме реального времени. Рассматриваются существующие разновидности систем мониторинга содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате, выделяются их основные недостатки, препятствующие широкому распространению технических средств мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин в режиме реального времени. Наиболее перспективным признается подход с использованием УФ спектрофотометрии.
Проводится обзор маркеров процесса ГД, среди которых наиболее распространенными в практической медицине являются мочевина, креатинин и мочевая кислота. Основываясь на априорных сведениях о спектральных характеристиках уремических маркеров процесса детоксикации и современном уровне развития твердотельных излучателей в УФ диапазоне, в качестве параметра контроля процесса ГД предлагается использовать концентрацию мочевой кислоты.
Приводятся основные сведения о мочевой кислоте, ее клинической значимости, методах количественного определения в жидких средах. Большинство классических методов определения концентрации мочевой кислоты не соответствует требованиям, необходимым для организации мониторинга мочевой кислоты в оттекающем диализате в режиме реального времени. Фотометрический метод, базирующийся на регистрации абсорбции мочевой кислоты при длине волны 293 нм, применяется в условиях отсутствии влияния других компонентов и не может быть использован для сложной поликомпонентной пробы отработанного диализата. Очевидно, что для определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии необходимо использовать несколько информативных участков спектра, что требует детального спектрального анализа как растворов мочевой кислоты, так и проб оттекающего диализата, взятых в различные фазы сеанса ГД для разных пациентов.
На основании проведенного анализа формулируются цель и основные задачи диссертационного исследования.
Во второй главе обосновывается возможность проведения абсорбционного спектрального анализа проб диализата. Для аналитических исследований жидких биосред разработан спектрофотометр для УФ и видимой области, так как, с одной стороны, именно в этой области находятся электронные полосы поглощения хромофорных групп, связанных со многими метаболитами, а с другой, располагается «окно прозрачности» воды, которая является растворителем во всех жидких средах естественного происхождения. Приводятся результаты градуировки разработанного спектрофотометра по линиям излучения ртути в УФ области спектра, и оценивается погрешность измерений и обработки спектрограмм.
Делается вывод, что в диапазоне пропускания 390% погрешность определения коэффициента поглощения не превышает 5%.
Основные технические характеристики разработанного спектрофотометра приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Технические характеристики спектрофотометра Рабочий спектральный диапазон 181.4-662.3 нм Спектральное разрешение 0.13 нм Вогнутая, число штрихов N1=300 шт./мм;
Дифракционная решетка угол блеска =1.7;
радиус кривизны R= мм;
высота штриха H=25 мм;
рабочий порядок спектра m= Источник излучения в УФ области Дейтериевая лампа ДМН- Фотоприемник Многоэлементный фотоприемник с зарядовой связью (3672 элементов), неохлаждаемый Время регистрации одного спектра От 8 мс до 2 с Погрешность определения 5% коэффициента поглощения Внешний интерфейс USB1.1, USB 2. Питание 220 В, 50 Гц Рассматриваются существующие методы количественного абсорбционного спектрального анализа однокомпонентных и поликомпонентных жидких биологических сред в УФ области спектра.
Разработанный спектрофотометр был использован для абсорбционного спектрального анализа проб диализата, взятых в ходе сеанса ГД. На рисунке приведены спектры поглощения проб диализата для трех пациентов в диапазоне длин волн 200…350 нм. Эталоном сравнения служила дистиллированная вода, оптическая толщина кварцевой кюветы составляла 5 мм.
Экспериментальные исследования спектрального поглощения проб диализата в течение сеанса ГД доказали обоснованность применения спектрофотометрического метода контроля процесса ГД.
Сопоставление значений спектрального поглощения диализата в УФ области с результатами биохимического анализа концентраций уремических маркеров (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД свидетельствует о тесной корреляционной зависимости концентрации выводимых токсинов и динамики спектрального поглощения диализата в исследуемом диапазоне.
В таблице 2 приведены коэффициенты корреляции (R) данных биохимического анализа концентраций мочевины (СМочевина(t)), креатинина (CКреатинин(t)), мочевой кислоты (CМочевая кислота(t)) и спектрального поглощения проб k(t) на длинах волн = 230, 260 и 290 нм в ходе одного из сеансов ГД.
Таблица 2 – Коэффициенты корреляции концентраций мочевины, креатинина, мочевой кислоты и спектрального поглощения проб на длинах волн 230, 260 и нм в ходе сеанса ГД R k230(t) k260(t) k290(t) СМочевина(t) 0.903 0.904 0. CКреатинин(t) 0.951 0.977 0. CМочевая кислота(t) 0.934 0.959 0. Динамика спектрального поглощения проб диализата позволяет осуществлять интегральный контроль хода процедуры ГД. Однако для количественной оценки выведения каждого из уремических токсинов по спектральному поглощению диализата требуются дополнительные исследования.
Известно, что максимум спектрального поглощения мочевины находится в области длин волн, короче 200 нм, максимумы поглощения мочевой кислоты расположены в области 238 и 293 нм, креатинина – в области 217 и 234 нм.
Анализ формы спектра поглощения проб диализата некоторых пациентов (рисунок 1, А) позволяет предположить, что величина спектрального поглощения в области 293 нм связана с концентрацией мочевой кислоты. Однако в спектрах отработанного диализата других пациентов данный максимум размыт (рисунок 1, В) или вовсе отсутствует (рисунок 1, С). Очевидно, что использование длины волны 293 нм для количественного анализа мочевой кислоты в диализате (одноволновый метод) ведет к существенной погрешности, так как поглощение диализата на этой длине волны обусловлено влиянием не только мочевой кислоты, но и других компонентов. Для решения задачи количественного анализа мочевой кислоты в пробах диализата дискретным абсорбционным методом необходимо определить дополнительные информативные диапазоны и оценить вклад других компонентов.
В третьей главе определяются и анализируются информативные области спектров растворов мочевой кислоты и проб диализата.
Были подготовлены и исследованы в области длин волн 200…350 нм спектры поглощения серии растворов мочевой кислоты.
Рисунок 1. Спектры поглощения проб Диапазон концентраций диализата для трех пациентов (А, В, С):
соответствовал количественному 1 – в начале процедуры, 2 – спустя час содержанию мочевой кислоты в от начала процедуры, 3 – спустя два с пробах гемодиализата и составлял половиной часа от начала процедуры, 0.05–0.20 ммоль/л.
4 – в конце процедуры.
Анализ характерных максимумов, крутизны отдельных участков и других особенностей формы спектрального поглощения мочевой кислоты позволил разработать математическую модель, позволяющую описать форму экспериментально полученных спектрограмм поглощения с высокой степенью подобия. Характеристики контуров, используемых для математического моделирования, представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Характеристики контуров, используемых для моделирования Название контура Максимум ( max ), нм Полуширина ( ), нм Лоренцев контур 195 Гауссовский контур №1 235 Гауссовский контур №2 271 Гауссовский контур №3 290 Методику моделирования спектра поглощения раствора мочевой кислоты иллюстрирует рисунок 2: исходный контур (экспериментально измеренный спектр) моделируется суммой четырех контуров (восстановленный контур).
Подбор комбинаций контуров Гаусса и Лоренца базировался на максимизации подобия исходного спектра (k ) и спектра, рассчитанного по результатам моделирования восст (k ). При этом количественно Рисунок 2. Моделирование спектра степень подобия оценивается по поглощения мочевой кислоты величине коэффициента S (k, k восст ) :
подобия nN восст k kn n n N S (k, k восст ) 1000, n N 2 n N 2 восст (k (k ) ) n n n N1 n N где каждый из спектров – исходный и восстановленный – представляются в виде векторов значений спектральных коэффициентов поглощения на дискретном наборе длин волн N1 N2 в информативной области спектра (200…350 нм).
Применение предложенной математической модели обеспечивает достижение значений коэффициента подобия (S) более 999.0. Спектр, моделирующий удельное молярное поглощение мочевой кислоты, был использован для расчета концентрации данного компонента в растворах. Концентрация мочевой кислоты, рассчитанная для серии растворов по модельному спектру удельного поглощения, отличались от исходных концентраций в пределах 5%.
Изучение особенностей формы спектров поглощения проб диализата более 300 пациентов позволило предложить классификацию спектров по информативным признакам в области 260…290 нм (см. рисунок 1): к типу А отнесены спектры поглощения, форма которых в данной области, описывается функцией dk / d 0 с максимумом в области 290 нм (~15% от общего числа пациентов, рисунок 1, А);
к типу В – спектры, для которых характерна зависимость типа dk / d 0 без явно выраженного максимума (~70% от общего числа пациентов, рисунок 1, В);
к типу С – спектры, форма которых имеет спадающий участок в указанной области, при котором dk / d 0 (~15% от общего числа пациентов, рисунок 1, С).
Следует отметить, что форма спектральной зависимости поглощения диализата для каждого пациента сохранялась практически неизменной на протяжении всего периода исследования (более двух лет).
В области длин волн 260…290 нм форма спектрального поглощения определяется присутствием в диализной жидкости мочевой кислоты и совокупности компонентов, в число которых входят триптофан, гиппуровая кислота, псевдоуридин, аденозин и ряд других, в том числе неидентифицированных, компонентов. Концентрация этих компонентов невелика, но их комбинация, условно названная псевдокомпонентом NK, связанная, по видимому, с индивидуальными процессами метаболизма, и определяет форму полосы поглощения в данной области.
Спектральный анализ в диапазоне длин волн 260…320 нм диализной жидкости пациентов, отнесенных к различным типам, и параллельно проводимые биохимические исследования содержания мочевой кислоты в пробах позволили экспериментально найти форму спектра поглощения для псевдокомпонента NK.
Это позволило моделировать формы спектров поглощения диализата согласно предложенной классификации (рисунок 3), например, если к экспериментально измеренному спектру, относящемуся к типу B, добавить спектр поглощения NK, моделируется спектр типа С, если вычесть спектр поглощения NK – моделируется спектр типа А. При этом концентрация мочевой кислоты в модельных и исходном спектрах одинакова. Это обстоятельство дополнительно подтверждает, что определение концентрации мочевой кислоты односпектральным методом по уровню поглощения диализной Рисунок 3. Спектр поглощения жидкости на одной длине волны (в пробы диализата типа B;
расчетные области максимума поглощения) спектры поглощения типа А и С, неизбежно приводит к искажению полученные путем изменения результатов.
количества псевдокомпонента NK Для анализа формы спектрального поглощения проб отработанного диализата в области 260…350 нм была применена методика, аналогичная методике моделирования спектров поглощения мочевой кислоты. Результаты анализа показали, что в этой области поглощение диализата определяется поглощением только двух компонентов: мочевой кислоты и псевдокомпонента NK. Это позволило с высокой степенью подобия ( S (k, k восст ) 999.0) воспроизвести формы спектрального поглощения проб диализата, отнесенного к разным типам. При этом удельное спектральное поглощение псевдокомпонента NK в анализируемом спектральном диапазоне задано в относительных единицах. На рисунке представлен экспериментальный спектр поглощения одной из проб диализата (исходный контур), рассчитанный спектр поглощения мочевой кислоты в пробе (контур №1), рассчитанный спектр поглощения псевдокомпонента NK в пробе (контур №2) и рассчитанный спектр поглощения диализата (восстановленный контур).
Результаты экспериментальных исследований и моделирование формы спектров в области 260..350 нм показали:
спектральное поглощение диализата в области 285… нм в основном обусловлено мочевой кислотой;
в более коротковолновой области спектральное поглощение диализата обусловлено как мочевой кислотой, так и NK.
псевдокомпонентом Оптимальным для оценки вклада в поглощение псевдокомпонента NK является Рисунок 4. Вид контуров, используемых для область 260…270 нм, где моделирования спектрального поглощения удельное поглощение мочевой проб диализата в области 260…350нм. кислоты минимально.
Основываясь на результатах анализа спектрального поглощения проб гемодиализата и результатах математического моделирования, предложен биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты в пробах диализата. В пределах рекомендованных спектральных областей (285…295 нм и 260…270 нм) выделяются два узких (квазимонохроматических) участка, в которых измеряется спектральное поглощение диализата. Для выделения этих спектральных участков могут быть использованы УФ светодиоды.
Математической основой метода служит закон Бугера-Ламберта-Бера для двухкомпонентной среды:
k1 1 С UrAc 1 С NК UrAc NК NК С NК, (1) UrAc UrAc k2 2 С UrAc UrAc где k и k – коэффициенты поглощения на длинах волн 1 и 2 ;
1 и 2 – 1 молярные (удельные) спектральные коэффициенты поглощения мочевой кислоты NK NK на длинах волн 1 и 2 ;
1 и 2 – удельные спектральные коэффициенты поглощения псевдокомпонента NK на длинах волн 1 и 2 ;
СUrAc и С NК – концентрации мочевой кислоты и псевдокомпонента NK соответственно.
UrAc Решение системы уравнений (1) относительно C позволяет определить концентрацию мочевой кислоты по значениям коэффициентов поглощения на длинах волн 1 и 2 :
NК k1 NК k UrAc NК 1 1 СUrAc k1 UrAc С UrAc NК 2 UrAc NК NК NК UrAc. (2) 1 2 1 2 2 С k Предложенный метод был использован для расчета концентрации мочевой кислоты в пробах диализата. В расчетах использовались различные комбинации длин волн в пределах установленных спектральных диапазонов (260…270 нм и 285…295 нм). Сопоставление полученных данных с результатами биохимических исследований для 100 проб показало, что относительная погрешность определения концентрации мочевой кислоты в диализате биспектральным методом не превышает 10%.
В четвертой главе рассматривается применение разработанного метода контроля процесса ГД. Описывается биспектральная оптико-электронная система для мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте, ее технические характеристики и алгоритм обработки спектральной информации.
Для практической реализации системы использованы два светодиода:
UVTOP262TO39HS (нитрид галлия-аллюминия, встроенная полусферическая кварцевая линза, длина волны максимума 0 =262 нм) и UVTOP287TO39HS (нитрид галлия-аллюминия, встроенная полусферическая кварцевая линза, 0 = нм). В качестве приемника использовался солнечно слепой фотоприемник GUVA T11GD (нитрид галлия, тип – Шоттки). Источники и приемник монтировались на кварцевой кювете, толщиной d=5 мм, подключаемой к выходной магистрали аппарата ИП.
При использовании в качестве источника излучения УФ светодиодов (без применения дополнительной монохроматизации) полуширина спектра излучения источника составляет 12…15 нм, что соизмеримо с полушириной полос поглощения исследуемых компонентов среды. При этом измеряемый коэффициент пропускания характеризует свойства среды не на дискретной длине волны, а в спектральной области излучения светодиодов, и определяется следующим образом:
I TLED LED, (3) I LED где I LED – интегральный поток излучения светодиода после прохождения через кювету с растворителем (опорный сигнал), I LED – интегральный поток излучения светодиода после прохождения через кюветы с исследуемой средой.
Коэффициент пропускания TLED зависит от спектральных характеристик светодиода и может отличаться по величине от спектрального (монохроматического) коэффициента пропускания T на длине волны 0, измеренного на спектрофотометре.
При известном спектральном распределении излучения светодиода I LED и спектральной зависимости коэффициента пропускания исследуемой среды T, значение коэффициента пропускания TLED может быть определено как:
T I LED d 0 0 I LED I LED d ;
I LED T I LED d ;
TLED. (4) I LED d Коэффициент поглощения диализата A в спектральной области излучения светодиодов рассчитывается по закону Бугера-Ламберта-Бера exp( A d ) A ln. (5) T LED d T 0 LED Следует отметить, что в строгой формулировке данный закон применим только для монохроматических параллельных пучков и величина A может отличаться от спектрального коэффициента поглощения k на длине волны 0, рассчитанного по результатам измерения пропускания T на спектрофотометре.
Расчет коэффициентов поглощения в полосах излучения светодиодов A и A287 по спектрам диализата, показал, что их отличие от соответствующих спектральных величин k 262 и k 287 не превышает 2%.
Для расчета молярных (удельных) спектральных коэффициентов поглощения мочевой кислоты и псевдокомпонента NK в спектральных областях излучения светодиодов использовались спектры удельного поглощения мочевой кислоты и псевдокомпонента NK, полученные в главе III. Расчет концентрации мочевой кислоты проводится по формуле (2) с учетом перехода к полосам излучения.
На рисунке 5 представлена биспектральная система мониторинга процесса ГД. В начальной фазе мониторинга в выходной магистрали 13 протекает чистый диализат из системы подготовки диализата 12, являющийся эталоном сравнения, и измеряются опорные сигналы на выходе фотоприемника 5, соответствующие 100% пропусканию. В процессе сеанса, после подключения пациента к аппарату ИП по сигналу таймера, через равные промежутки времени (10 с и более) производится регистрация сигналов на выходе фотоприемника, и в модуле управления и обработки данных 7 для каждого канала (на длине волны 262 нм и 287 нм) рассчитываются коэффициенты пропускания диализата в данный момент времени.
Полученные данные обрабатываются, и по предложенному методу рассчитывается концентрация мочевой кислоты.
Установка режима мониторинга (длительность процесса, периодичность измерений) и параметров расчета (удельные коэффициенты поглощения компонентов, сухой вес больного, скорость потока диализата, шифр больного), расчет концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости, построение графиков зависимости концентрации, общего количества выведенной из организма больного мочевой кислоты от времени и сохранение результатов мониторинга реализуются с помощью специализированного программного обеспечения, выполняемого в персональном компьютере (ПК) 9.
Рисунок 5. Биспектральная система мониторинга процесса ГД 1 – светодиоды с максимумом спектра излучения на длинах волн 262 нм и 287 нм;
2 – модуль питания светодиодов;
3 – оптическая система формирования пучка;
4 – проточная кварцевая кювета;
5 – фотоприемник;
6 – модуль регистрации и обработки оптических сигналов;
7 – модуль управления и обработки данных;
8 – модуль обмена данных с ПК;
– ПК;
10 – магистраль экстракорпорального контура;
11 – диализатор;
12 – система подготовки диализной жидкости;
13 – выходная магистраль аппарата ИП.
Разработанная биспектральная система проходила клинические испытания в отделении гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница».
Исследования проведены для 23 сеансов ГД у 9 пациентов, всего 110 проб.
На рисунке 6 для двух пациентов, получающих лечение ГД, представлена временная зависимость концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате, рассчитанная по данным биспектральной системы, и результаты параллельного биохимического анализа нескольких проб диализата, взятых по ходу сеансов.
На рисунке 7 сопоставляются результаты определения концентрации мочевой кислоты в диализате в процессе мониторинга по предложенной методике с помощью биспектральной системы (Cсистема) и по стандартной биохимической методике в лабораторных условиях (Cб/х).
Коэффициент корреляции полученных данных составил 0.987, среднее значение абсолютной погрешности определения концентрации мочевой кислоты 3.6 мкмоль/л, среднеквадратичная погрешность 6.5 мкмоль/л.
Относительная погрешность определения концентрации мочевой кислоты в диализате биспектральной системой не превышает 10%.
Клинические испытания разработанной системы подтвердили возможность применения биспектрального метода мониторинга процесса ГД в режиме реального времени и количественной оценки выведения мочевой кислоты из организма больного по ходу сеанса.
Рисунок 6. Временная зависимость концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате по ходу сеанса, рассчитанная по данным биспектральной системы, в сравнении с результатами биохимического анализа Рисунок 7. Сопоставление результатов определения концентрации мочевой кислоты в диализате в процессе мониторинга с помощью биспектральной системы (Cсистема) и по стандартной биохимической методике (Cб/х) Биспектральная система была использована врачами отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница» для изучения влияния физической нагрузки на концентрацию мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе ГД.
Интрадиализные тренировки на велоэргометре проводились с 15 по 60 минуты процедуры. Обследование 10 пациентов показало повышение концентрации выводимого токсина (мочевой кислоты) в пробах отработанного диализата в начале или в середине процедуры физической нагрузки по сравнению с аналогичным периодом покоя, что может быть связано с увеличением количества функционирующих капилляров в работающих мышцах.
В заключении отражены основные результаты работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Установлена корреляционная зависимость динамики спектрального поглощения диализата в УФ области и концентраций выводимых токсинов (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД.
2. Исследованы спектры поглощения проб отработанного гемодиализата. В УФ спектрах поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН, обнаружены индивидуальные особенности, сохраняющиеся в течение продолжительного времени (более двух лет), предложена методика классификации спектров диализата по форме кривой поглощения.
3. Выявлены и сопоставлены информативные диапазоны в спектрах поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата.
4. Разработаны математические модели спектрального поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата.
5. Введено понятие псевдокомпонента NK, представляющего собой совокупность нескольких компонентов Комбинация этих компонентов определяет индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата. Экспериментальным путем был получен УФ спектр поглощения псевдокомпонента NK.
6. Разработан биспектральный метод определения мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах, основанный на регистрации коэффициентов пропускания в двух узких спектральных диапазонах в УФ области спектра 260…270 нм и 285…295 нм.
7. Разработана методика организации количественного мониторинга мочевой кислоты в процессе ГД в режиме реального времени на базе твердотельных излучателей в УФ диапазоне.
8. Разработана биспектральная система с двумя УФ светодиодами (максимумы излучения 262 нм и 287 нм соответственно) для количественного определения мочевой кислоты в оттекающем диализате.
9. Испытания биспектральной системы показали возможность осуществления мониторинга процесса детоксикации в режиме реального времени с количественной оценкой динамики выведения мочевой кислоты по ходу сеанса ГД. Данные о концентрации мочевой кислоты, полученные биспектральной системой, соотносятся с результатами биохимического анализа в пределах погрешности 10%.
10. Биспектральная система, осуществляющая мониторинг концентрации мочевой кислоты в пробах отработанного диализата в режиме реального времени, использовалась при исследовании влияния физической нагрузки на процессы детоксикации в ходе ГД.
11. Серия дополнительных экспериментов по определению концентрации мочевой кислоты в пробах мочи показала, что биспектральный метод может быть использован для количественного анализа содержания мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах организма.
Публикации автора в журналах, рекомендованных ВАК Лопатенко*, О.С. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой 1.
кислоты в биосредах [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2012. – №1. – с. 62-65.
2. Лопатенко, О.С. Исследование биспектрального метода мониторинга мочевой кислоты в процессе гемодиализной процедуры [Текст] / А.М. Василевский, Г.А.
Коноплев, О.С. Лопатенко, А.В. Комашня, К.А. Вишневский, А.Ю. Земченков, A. Фрорип // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2012. – №10. – с. 97-104.
3. Степанова, О.С. Биспектральная оптоэлектронная система мониторинга процесса гемодиализа [Текст] / А.М. Василевский, К.А. Вишневский, А.Ю. Земченков, А.В.
Комашня, Г.А. Коноплев, О.С. Степанова, A. Фрорип // Биотехносфера. – 2013. – №1. – с. 7-15.
Патент 4. П.м. 121373 Российская Федерация, МПК U01 G01N33/487, G01N21/33. Устройство для мониторинга процесса гемодиализа [Текст] / Василевский А.М., Коноплев Г.А., Лопатенко О.С.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный * Здесь и далее по тексту Лопатенко О.С. читать как Степанова О.С. на основании свидетельства о заключении брака II-АК № электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). – №2012121111/15;
заявл.
22.05.2012;
опубл. 20.10.2012.
Публикации автора в других изданиях 5. Лопатенко, О.С. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, Е.А. Усова // 64-я НТК СПбНТОРЭС им. А.С. Попова, труды конференции. – 2009. – с. 229-231.
6. Лопатенко, О.С. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / О.С. Лопатенко // Сборник трудов молодых учёных «Всероссийская научная школа по биомедицинской инженерии БМИ - 2009». – 2009. – с. 193-200.
7. Лопатенко, О.С. Анализ низкомолекулярных фракций жидких биологических сред по УФ спектрам экстинкции [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, Е.А.
Усова // Вестник аритмологии, Материалы конгресса. – 2010. – с. 537.
8. Лопатенко, О.С. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / О.С. Лопатенко, Е.А. Усова // Сборник трудов молодых учёных «Всероссийская научная школа по биомедицинской инженерии БМИ - 2010», – 2010. – с. 225-233.
9. Лопатенко, О.С. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты в биосредах [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // 64-я НТК ППС СПбГЭТУ, Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых. – 2011. – с. 205-210.
10. Лопатенко, О.С. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты в биосредах [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // 66-я НТК СПбНТОРЭС им. А.С. Попова, труды конференции. – 2011. – с. 362-363.
11. Лопатенко, О.С. Биспектральный анализ содержания мочевой кислоты в биосредах [Текст] / О.С. Лопатенко // Вестник аритмологии, Материалы конгресса. – 2012. – с. 488.
12. Лопатенко, О.С. Применение биспектрального оптического сенсора для мониторинга концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе гемодиализа при дозированной физической нагрузке [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С.
Лопатенко, А.В. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, A. Frorip // Труды VIII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии, Санкт-Петербург. – 2012. – с. 64-66.
13. Lopatenko, O. On-line monitoring of uric acid concentration in spent dialysate during hemodialysis accompanied by graduated physical exercises with the bispectral optical sensor (Мониторинг в режиме реального времени концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в ходе гемодиализа при дозированной физической нагрузке с использованием биспектрального оптического сенсора) / Aleksandr Vasilevsky, Georgy Konoplev, Oksana Lopatenko, Artememy Komashnya, Konstantin Visnevsky, Roman Gerasimchuk, Indrek Neivelt, Aleksandr Frorip // 49-th ERA-EDTA CONGRESS, Paris. – 2012 – [Электронный ресурс].
14. Лопатенко, О.С. Исследование влияния интрадиализной физической нагрузки у больных тХПН на концентрацию мочевой кислоты в диализате аппарата «Искусственная почка» с помощью биспектрального оптического сенсора [Текст] / А.М. Василевский, Г.А.
Коноплев, О.С. Лопатенко, А.В. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, A.
Frorip // Сборник материалов (2 т.) V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», г. Троицк Московской области. – 2012. – с. 242-244.
15. Лопатенко, О.С. Применение биспектрального оптического сенсора для мониторинга концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе гемодиализа при дозированной физической нагрузке [Текст] / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С.
Лопатенко, А.В. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, A. Frorip // Труды конференции «Региональная информатика», Санкт-Петербург, изд-во СПОИСУ. – 2012. – с. 278.
16. Lopatenko, O.S. Dual-wavelength optical sensor for on-line monitoring of uric acid concentration in spend dialysate during hemodialysis (Двухволновой оптический сенсор для мониторинга в режиме реального времени концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в ходе гемодиализа) / A.M. Vasilevsky, G.A. Konoplev, O.S. Lopatenko, A.V.
Komashnya, K.A. Vishnevsky, R.P. Gerasimchuk, A.I. Kuznetsov, I. Neivelt, A. Frorip // XI Baltic nephrology conference, September 20-22, Tartu, Estonia. – 2012. – p.48.