Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы и технические средства детоксикации и анализа жидких биологических сред организма 15
1.1. Краткая характеристика жидких биосред организма и механизмы обменных процессов 16
1.1.1. Основные типы обменных процессов в организме 19
1.2. Методы экстракорпорального воздействия на жидкие биосреды с целью детоксикации биологических ;жидкостей 25
1.2.1. Основные этапы эндотоксикации организма 25
1.2.2. Классификация методов активной детоксикаци 28
1.2.3. Гемодиализ 29
1.2.4. Ликворосорбция 35
1.3. Современные методы клинического анализа и диагностики ЖБС организма. Применение хроматографических и спектральных методов для анализа ЖБС : 36
1.3.1. Применение метода ВЭЖХ для исследования состава ЖБС в процессе экстракорпоральной детоксикации 39
1.3.2. Применение абсорбционной спектрометрии для анализа ЖБС 44
1.4. Постановка задач исследования и основные этапы их выполнения 51
Выводы к главе 1 55
2. Исследование информационных признаков УФ спектров экстинкции жидких биосред в процессе экстракорпоральной детоксикации 56
2.1 Методика спектральных исследований на базе автоматизированных многоканальных спектроанализаторов 56
2.2. Исследование динамики спектров экстинкции ЖБС в ходе сеанса гемодиализа методом УФ спектрометрии 57
2.3. Исследование информативных признаков состава ЖБС методом абсорбционной УФ спектрометрии 62
2.4. Исследование и анализ индивидуальных особенностей УФ спектров экстинкции низкомолекулярных ЖБС 67
Выводы к главе 2 84
3. Разработка математической модели анализа состава жидких низкомоле кулярных биосред по спектрам экстинкции автоматизированных систем комплексного мониторинга 86
3.1. Абсорбционный спектральный анализ сред, содержащих несколько компонентов. Особенности спектров экстинкции жидких биосред и наблюдаемые отклонения в спектрах экстинкции смеси от классических законов 86
3.2. Математическая модель коррекции спектра поглощения однокомпонентний среды в условиях значительного изменения концентрации 89
3.3. Исследование спектральных характеристик поглощения потенциальных компонентов ЖБС по уточненной математической модели 94
3.3.1. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты и оценка информативных признаков 95
3.3.2. Исследование спектральных характеристик поглощения аденозина и оценка информативных признаков 99
3.3.3. Исследование спектральных характеристик поглощения креатинина и оценка информативных признаков 100
3.3.4. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевины и оценка информативных признаков 102
3.3.5. Исследование спектральных характеристик поглощения альбумина и оценка информативных признаков 104
3.3.6. Исследование спектральных характеристик коррекции поглощения глюкозы и оценка информативных признаков 106
3.3.7. Исследование спектров поглощения витамина В12 108
3.4. Математическая модель абсорбционного спектрального анализа поликомпонентной смеси в условиях несоблюдения принципа аддитивности 110
Выводы по главе 3 119
4. Разработка принципов построения автоматизированной информационно- измерительной системы и методики организации комплексного мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии 121
4.1. Измерительная схема информационно-измерительной системы 122
4.2. Метрологическая схема анализа состава ЖБС в процессе мониторинга по УФ спектрам зкстинкции 128
4.3. Методика организации комплексного мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии 137
4.3.1. Принципиальные схемы автоматизированных информационно - измерительных систем и методика комплексного мониторинга процессов экстракорпоральной детоксикации ЖБС 138
4.4. Разработка автоматизированной спектральной системы сбора и обработки информации 144
4.4.1. Разработка оптической схемы автоматизированной спектральной системы мониторинга 144
4.4.2. Основные рабочие характеристики прибора 150
4.4.3. Исследование характеристик многоканального спектро анализатора 153
4.4.3.1. Градуировка прибора 153
4.4.3.2. Исследование временной нестабильности и оценка погрешности измерений прибора 155
4.5. Разработка алгоритма управления и базового программного обеспече ния многоканального спектроанализатора для информационно-измерительных систем автоматизированного анализа спектрограмм по спектрам зкстинкции в ультрафиолетовой области спектра 162
Выводы к главе 4 167
5. Техническая реализация автоматизированной информационно- измерительной системы комплексного мониторинга сеанса программного гемодиализа и исследова ние спектров зкстинкции диализата больных хронической почечной недостаточно стью 169
5.1. Разработка автоматизированной системы комплексного мониторинга процесса экстракорпоральной детоксикации крови методом УФ спектрометрии 170
5.2. Исследование спектров коррекции поглощения потенциальных уремических токсинов в составе диализата по разработанным математическим моделям анализа поликомпонентных сред 177
5.3. Разработка методики организации и проведения мониторинга состава диализата в процессе сеанса гемодиализа 189
5.4. Клинические испытания автоматизированной информационно -измерительной системы мониторинга сеанса гемодиализа 202
5.5. Применение разработанной системы для многокомпонентного мониторинга состава диализата в процессе сеанса гемодиализа методом УФ спектрометрии 206
Выводы к главе 5 211
6. Техническая реализация автоматизированной информационно - измерительной системы комплексного мониторинга процесса ликворосорбции в ходе лечения заболеваний и повреждений центральной нервной системы 213
6.1. Ликворосорбция в системе комплексного лечения больных заболеваниями и повреждениями центральной нервной системы 214
6.2. Аппаратура и основные параметры проведения сеанса ЛС 215
6.3. Оптико-электронная информационно - измерительная система мониторинга церебро-спинальной жидкости 218
6.4. Мониторинг процесса ликворосорбции по спектрам экстинкции ЦСЖ
в ультрафиолетовой области спектра 220
6.5. Исследование спектров экстинкции ЦСЖ в видимой области спектра, разработка способа лечения заболеваний и повреждений ЦНС ло спектрам пропускания 225
6.6. Применение метода ликворосорбции в практике комплексного лечения черепно-мозговой травмы 232
6.7. Ликворосорбция в клинической практике лечения бактериальных менингитов и менингоэнцефалитов 246
6.8. Ликворосорбция в практике комплексного лечения некоторых заболеваний центральной нервной системы 250
Выводы к главе 6 257
Заключение 259
Библиографический список использованной литературы
- Методы экстракорпорального воздействия на жидкие биосреды с целью детоксикации биологических ;жидкостей
- Исследование динамики спектров экстинкции ЖБС в ходе сеанса гемодиализа методом УФ спектрометрии
- Математическая модель коррекции спектра поглощения однокомпонентний среды в условиях значительного изменения концентрации
- Методика организации комплексного мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии
Введение к работе
Актуальность исследований. Изучение состава биологических жидкостей является одним из важнейших источников объективной информации о состоянии организма, позволяющих объективно выявить и оценить отклонения от нормы, установить диагноз, прогнозировать заболевание, оценить эффективность проводимого лечения, осуществить контроль за медикаментозной терапией и профилактику расстройств здоровья. Ежедневно в клинико-диагностических лабораториях мира выполняются десятки тысяч анализов жидких биологических сред (ЖБС). Основными объектами анализа являются: содержимое сосудов и полостей (кровь, цереброспинальная жидкость (ликвор), транссудаты, экссудаты, выделения человеческого организма). Наиболее распространенными средами анализа считаются кровь и моча. Анализ обычно проводится методом взятия проб исследуемой среды и последующего определения одного из компонентов с помощью разнообразных аналитических методик. При этом время, необходимое для проведения анализа, в зависимости от среды, используемой методики и типа анализируемого компонента, может составлять часы, сутки или недели. Кроме этого, для реализации анализа многие методики требуют специальной подготовки пробы, включающую ее технологическую и химическую обработку.
В практике современного здравоохранения в последние десятилетия получили широкое распространение новые методы лечения, называемые «эфферентной терапией», основанные на экстракорпоральной детоксикации ЖБС путем диализа, фильтрации, сорбции, облучения среды излучением определенного спектрального состава. Так, для больных, страдающих хронической почечной недостаточностью, единственным способом поддержания жизни является программный гемодиализ, а при черепно-мозговых травмах, сопровождающихся субарахноидальным кровоизлиянием, сеансы ликворосорбции позволяют санировать церебро-спинальную жидкость и предотвратить тяжелые осложнения, связанные с появлением в ликворе чужеродных токсических веществ. Длительность подобных процедур, скорость процесса детоксикации и выбор типа диализатора или сорбента назначает лечащий врач по результатам ежемесячного анализа состава контрольных проб, взятых до и после процедуры. Если учесть, что экстракорпоральное воздействие на ЖБС продолжает-
7 ся часами с периодичностью до нескольких раз в неделю, а курс лечения может длиться годами, становится очевидной проблема исследования способов организации непрерывного контроля (мониторинга) состава и разработка информационно-измерительных систем на их основе для количественной оценки изменений состава и коррекции лечения в ходе процедуры в режиме on-line.
В настоящее время многие научные центры как в нашей стране, так и за рубежом интенсивно занимаются разработкой методов и устройств для создания автоматизированных систем мониторинга ЖБС. Из законченных разработок опубликован единственный прибор, изготовленный фирмы "Baxter"[Kesaviah P.R., 1995), одного из мировых производителей аппаратов "Искусственная почка", предназначенный для мониторинга состава диализата по мочевине. Однако широкого применения этот прибор пока не получил из-за высокой стоимости, необходимости использования для анализа специальных расходных материалов и больших временных затрат.
Отсутствие непрерывного контроля состава во время экстракорпоральной де-токсикации ЖБС зачастую приводит к тем или иным осложнениям, связанными с нарушением обменных процессов, сердечной недостаточностью, нарушениям центральной и периферической нервной системы. Поэтому разработка автоматизированных информационно-измерительных систем, основанных на неинвазивных, безопасных для больного и обслуживающего персонала, оперативных, достоверных и не требующих расходных материалов методах, жизненно важна для миллионов больных, нуждающихся в экстракорпоральном очищении ЖБС.
В работе рассматривается возможность применения для целей мониторинга ЖБС метода абсорбционной ультрафиолетовой (УФ) спектрометрии. Абсорбционный спектральный анализ в различных областях спектра является одним из распространенных физических методов и находит широкое применение для анализа и контроля состава вещества в технике, биофизике, биологии, медицине, агрофизике, сельском хозяйстве. Этот метод, основанный на классическом законе Ламберта-Бера-Бугера, обладает высокой чувствительностью, неинвазивен, безопасен для больного, не требует дополнительных расходных материалов, при использовании проточных кювет может быть реализован в оперативном автоматическом режиме и, таким образом, удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к устройствам мониторинга состава ЖБС в процессе экстракорпоральной детоксикации.
Основным веществом ЖБС организма является вода, спектр пропускания которой ограничен ультрафиолетовой и видимой областью спектра. Спектр поглощения
8 многих компонентов, входящих в состав ЖБС (мочевая кислота, креатинин, нуклеиновые кислоты, мочевина), имеет вид широких бесструктурных, перекрывающихся полос и в большинстве случаев приходится на УФ область спектра. Поэтому для целей качественного и количественного спектрального анализа ЖБС УФ область спектра наиболее информативна.
Состав ЖБС организма чрезвычайно сложен, содержит большое количество различных компонентов и зависит от многих факторов - особенностей наследственного характера, возраста, режима питания, перенесенных заболеваний, принимаемых лекарственных препаратов, степени тяжести заболевания. В процессе экстракорпоральной детоксикации происходит изменение состава ЖБС, связанное с целенаправленным снижением концентрации токсических компонентов в ЖБС, Одновременно из состава ЖБС выводятся и другие компоненты, не являющиеся токсинами для данного процесса детоксикации, но контроль которых необходим для оценки эффективности процедуры. Поэтому при организации мониторинга необходим анализ состава одновременно по нескольким компонентам, причем в условиях, когда любое вмешательство в исследуемую среду исключено. Общепринятые методики спектрального абсорбционного анализа, применительно к растворам ЖБС, позволяют определить содержание вещества в однокомпонентном растворе в определенном диапазоне концентраций, когда соблюдается пропорциональная связь между спектральным коэффициентом поглощения и концентрацией компоненты в растворе. Для сложных ЖБС спектральный анализ проводится для каждой компоненты в отдельности после предварительной обработки раствора, так как принцип аддитивности, который лежит в основе многокомпонентного спектрального анализа, для ЖБС не соблюдается. Проблема анализа состава сложных сред, содержащих несколько взаимодействующих компонентов, концентрация которых изменяется в широких пределах, несмотря на многочисленные попытки, до настоящего времени не решена. Таким образом, применение современных методик для спектрального анализа УФ спектров экстинкции ЖБС в процессе экстракорпоральной детоксикации создает только потенциальную возможность получения объективной информации о динамике состава ЖБС,
Одним из способов решения проблемы многокомпонентного спектрального анализа является организация и проведение анализа не на дискретных длинах волн по каждой компоненте, а в широкой информативной области, включающей полосы поглощения анализируемых компонентов. Современные спектральные аппараты с
9 фотоприемным устройством на ПЗС- структурах позволяют выделить в пределах информативной области 500 и более узких спектральных участков. Спектральное поглощение исследуемой среды в каждом участке содержит информацию о всех компонентах и зависит от индивидуальных свойств каждого из компонентов и их концентрации.
Математически информация о качественном и количественном составе среды может быть представлена в виде системы уравнений, описывающих спектральное поглощение среды в информативной области, в которых неизвестными являются концентрации анализируемых компонентов. В простейшем случае (слабоконцентрированные среды и выполнение принципа аддитивности) для определения концентрации достаточно измерить спектральное поглощение среды в информативной области и одним из статистических методов решить систему линейных уравнений. Для случая ЖБС в условиях экстракорпорального воздействия, когда не исключено взаимное влияние компонентов, а концентрация может изменяться в широких пределах, характер зависимости спектрального поглощения среды от концентрации компонентов значительно усложняется и до настоящего времени недостаточно изучен. Это требует разработки уточненных математических моделей, корректирующих специфику поглощения излучения в сложных средах. Практическая реализация разработанных моделей для анализа ЖБС в условиях ее экстракорпоральной детоксикации требует организации контрольного мониторинга, по результатам которого рассчитываются спектральные коэффициенты коррекции поглощения для анализируемых компонентов в информативной области УФ спектра. Банк полученных данных для различных сред и методов детоксикации позволяет разрабатывать и создавать автоматизированные информационно - измерительные системы мониторинга процессов экстракорпоральной детоксикации ЖБС.
Целью данной работы явилась разработка принципов построения, методов и технических средств, обеспечивающих поликомпонентный мониторинг состава ЖБС в процессе экстракорпоральной детоксикации на базе абсорбционной ультрафиолетовой спектрометрии.
Основными задачами, решение которых позволило создать систему мониторинга, явились:
исследование и анализ спектральной информации, регистрируемой в ходе экстракорпоральной детоксикации ЖБС, для обобщенной оценки специфики спектрального поглощения ЖБС и выделения информативной области,
разработка уточненных математических моделей, адекватно описывающих спектральное поглощение для однокомпонентной и поликомпонентной ЖБС,
исследование и разработка методик обработки спектральной информации для поликомпонентного анализа состава ЖДС в режиме on-line и разработка на этой основе автоматизированных систем мониторинга ЖБС,
экспериментальное исследование разработанных систем для мониторинга процессов экстракорпоральной детоксикации ЖБС диализными и сорбционными методами в режиме on-line и оценка достоверности результатов анализа.
Основные этапы исследований включали изучение и решение следующих вопросов:
исследование корреляционных характеристик динамики спектров экстинкции и концентрации удаляемых компонентов в ходе экстракорпоральной детоксикации ЖБС с целью определения границ информативной области;
исследование индивидуальных особенностей УФ спектров экстинкции низкомолекулярных ЖБС и их систематизация с целью унификации требований к моделированию процесса поглощения;
-разработка принципов построения автоматизированных систем для мониторинга жидких биосред в ходе сеансов экстракорпоральной детоксикации в режиме on-line;
разработка математической модели абсорбционного анализа однокомпонентной среды в широком диапазоне концентраций и исследование спектральных характеристик поглощения компонентов;
разработка математической модели анализа поликомпонентных жидких биосред и алгоритмов расчета концентрации компонентов ЖБС по спектрам экстинкции в информативной области спектра;
разработка методики автоматизированного анализа состава диализата и техническая реализация информационно-измерительной системы мониторинга сеанса гемодиализа по спектрам экстинкции диализной жидкости;
экспериментальное исследование динамики состава диализата в ходе сеансов гемодиализа больных, страдающих хронической почечной недостаточностью;
разработка методики автоматизированного анализа состава ликвора и техническая реализация информационно-измерительной системы мониторинга сеанса ликворосорбции по спектрам экстинкции ликвора;
экспериментальное исследование динамики состава ликвора в ходе сеансов ликворосорбции при лечении заболеваний и повреждений центральной нервной системы.
Методы исследований.
Решение поставленных задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические исследования основывались на абсорбционном спектральном анализе, методах математического моделирования, статистического анализа параметров коррекции поглощения при заданных начальных условиях и оценки степени достоверности решений.
Экспериментальные исследования нативных жидких биосред проводились в условиях, максимально приближенных к клиническим в расширенной (информативной) области спектра.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 32 печатных работы, в том числе 13 публикаций в изданиях, включенных в перечень ВАК. Опубликовано: 2 монографии, 16 статей, тезисы к 10 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях и 4 авторских свидетельства и патента на изобретения.
Работа выполнена на кафедре Физической электроники и оптико-электронных приборов Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). Клинические испытания и экспериментальные исследования проводились на базе Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена, Санкт-Петербургской медицинской Академии им. И.И. Мечникова, Военно-медицинской академии, Городского центра гемокоррекции г. Санкт-Петербурга и отделений гемодиализа городских больниц г. СПб.
Научную новизну работы составляют:
- методика комплексного анализа состава ЖБС в информативной области
спектра, в пределах которой спектральная информация отражает динамику состава
ЖБС в процессе детоксикационных мероприятий; методика дифференциации спек
тров низкомолекулярных жидких биологических сред организма по относительному
содержанию двух компонентов;
классификация низкомолекулярных ЖБС по форме спектральных характеристик поглощения, отражающая индивидуальные особенности обмена нуклеиновых кислот, причем индивидуальная форма спектра сохраняется как в пределах одного сеанса гемодиализа, так и при повторных сеансах в течение продолжительного (более года) времени;
метод коррекции зависимости показателя поглощения однокомпонентной среды от концентрации в информативной области спектра, основанный на определении членов второго порядка в разложении функции поглощения в ряд Тейлора;
метод оценки взаимного влияния компонентов на спектральное поглощение в поликомпонентной жидкой биологической среде, основанный на введении в матрицу удельного поглощения компонентов недиагональных членов и методика расчета спектральных коэффициентов удельного поглощения компонентов в информативной области спектра на его основе;
принципы построения информационно- измерительных систем мониторинга ЖБС в режиме on-line по спектрам экстинкции в УФ области спектра, учитывающие взаимосвязанные компоненты системы - инструментальное, методическое, метрологическое и информационное обеспечение;
информационная схема мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии, комплексно учитывающая этапы преобразования информации в технических и аналитических звеньях автоматизированной системы мониторинга;
методика оценки достоверности результатов анализа состава ЖБС в режиме on-line.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:
- разработаны практические рекомендации по построению автоматизирован
ных систем поликомпонентного анализа состава ЖБС в режиме on-line по спектрам
экстинкции в УФ области спектра;
разработаны технические средства мониторинга ЖБС при экстракорпоральной детоксикации диализными и сорбционными методами;
получены спектральные характеристики и коэффициенты коррекции удельного поглощения низкомолекулярных компонентов ЖБС в информативной области спектра в широком диапазоне концентраций;
разработаны алгоритм и программное обеспечение расчета концентрации нескольких компонентов ЖБС по спектрам экстинкции в процессе экстракорпоральной детоксикации ЖБС в режиме on-line;
13 - определена информативная область и, в пределах этой области, исследованы спектральные характеристики удельных коэффициентов коррекции взаимного влияния потенциальных уремических токсинов в составе диализата и других ЖБС.
Научные положения, выносимые на защиту:
измерительный спектральный канал системы мониторинга состава ЖБС должен учитывать особенности поглощения как отдельных компонентов ЖБС, так и их комбинаций в пределах информативной области 200...350нм;
при обработке спектральных сигналов должны учитываться индивидуальные особенности формы низкомолекулярных спектров экстинкции ЖБС в информативной области, отражающей относительное содержание компонентов;
математическая модель, адекватно описывающая спектральное поглощение компонентов ЖБС в условиях изменения концентрации, должна учитывать члены разложения удельного коэффициента экстинкции по концентрации второго порядка в пределах информативной области;
математическая модель, адекватно описывающая спектральное поглощение ЖБС должна учитывать межмолекулярное взаимодействие, для чего в матрицу удельных коэффициентов экстинкции отдельных компонентов необходимо ввести недиагональные члены;
мониторинг состава ЖБС по нескольким компонентам при экстракорпоральных детоксикационных мероприятиях в режиме on-line, основанный на предлагаемых методиках спектрального анализа, повышает достоверность анализа состава, позволяет индивидуализировать процесс лечения и корректировать процедуру деток-си кации непосредственно в ходе сеанса.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Межд. конф, «Медико-техническое обеспечение в больницах России», СПб, 1994
Межд. конф. «Диагностика, информатика, метрология-96», СПб, 1996
Межд. семинар «Инновации в здравоохранении» СПб, 1997
Межд. конф. «Диагностики, информатика, метрология-97»,СПб, 1997
Межд. конф. фирмы «Fresentus Medical Care», Schweinfurt, Germany, 28-30.09.1998
1X ежегодный нефрологический семинар. СПб, 2001
1 Международный конгресс «Новые медицинские технологии» (New medical technology), СПб, 8-12.08. 2001
Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век», СПб, 2002
Международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании». - Тверь, Тверской государственный технический университет. - 2002.
"World Congress of Nefrology" (10-17.10.2001, г.Сан-Франциско, Калифорния, США).
Разработанные автоматизированные информационно - измерительные системы мониторинга прошли клинические испытания в Городском центре гемокоррекции г.СПб, отделении гемодиализа Городской больницы № 15 г.СПб и в отделении лик-воросорбции РНИИТО им. Р. Р. Вредена. Из этих организаций получены акты о внедрении разработанных систем в клиническую практику.
Методы экстракорпорального воздействия на жидкие биосреды с целью детоксикации биологических ;жидкостей
Многие функциональные и гуморальные расстройства организма могут быть вызваны эндогенными токсическими субстанциями (ЭТО), образовавшимися в самом организме больного. ЭТС представляют собой вещества и молекулярные комплексы как обычные для организма, т.е. физиологически обоснованные, так и необычные, но патологически обоснованные субстанции. Воздействие таких субстанций обычно называют эндогенной интоксикацией (ЭнИ). Однако даже в случаях физиологически обоснованных субстанций при возникновении ЭнИ речь должна идти скорее о нецелесообразном для организма метаболизме. Обычно ЭнИ вызывается не одной субстанцией, которую можно считать пусковым фактором этого синдрома, а несколькими ЭТС, которые так или иначе попадают в кровь больного. Это происходит либо непосредственно путем поступления ЭТС в кровеносные капилляры, прилежащие к месту образования этих субстанций, либо опосредованно, когда ЭТС поступают че реэ тканевую жидкость и лимфатический дренаж. Иногда патогенное действие ЭТС реализуется на органном уровне (головной мозг), если внутренняя среда этого органа в той или иной степени изолирована (гематоэнцефалический и гематоликворный барьеры) от остальной внутренней среды организма.
Эндогенными токсическими субстанциями и одновременно маркерами ЭнИ могут быть самые различные компоненты [61]: - конечные и промежуточные продукты нормального метаболизма, - продукты извращенного тканевого обмена, - компоненты полостных жидкостных сред и продукты жизнедеятельности микрофлоры в очагах и резервуарах инфекции, - органо- и цитолокализованные вещества при их избыточном поступлении во внеклеточную жидкость, лимфу, кровь и ликвор при нарушении распределения и трансформации таких веществ, - иммуночужеродные продукты тканевого распада, - эффекторные субстанции регуляторных систем организма. Эффекторные субстанции регулятор-ных систем организма
Биогенные амины, нейромедиаторы, антитела и иммунные комплексы, продукты перекисного окисления липидов, ферменты свертывающей и фибрино-литической и калликреинкининовой систем крови и тканей, а также продукты их избыточной активности, ФНО и интерлейкииы, простагландины, лей-котриены, тиреоидные и стероидные гормоны
Точные характеристики факторов ЭнИ и, в частности, идентификация многих конечных метаболитов как ЭТС до настоящего времени полностью не выяснены, также как и механизмы действия промежуточных продуктов обмена на организм больного. Несомненно, что, помимо непосредственного воздействия в очаге возникновения на клетки измененного органа или тканевого комплекса, эти субстанции способствуют генерализации токсического эффекта с появлением факторов вторичной токсической агрессии.
Чрезвычайно важным в генезе ЭнИ являются конечные продукты азотистого обмена, основную часть которых составляют мочевина, свободные аминокислоты, мочевая кислота, креатин, креатинин, индикан и др.
Лечебные мероприятия, используемые при ЭнИ, как правило, составляют процедуры, которые дополняют, активируют и замещают естественные механизмы детоксикации. Моделирование детоксикационных механизмов, вместе с традиционными подходами к лечению ЭнИ, составляют в настоящее время специальный раздел клинической медицины, который определяют специальным термином «эфферентная медицина» (от лат. Efferens - выносить). Изучение структурно-функциональных принципов естественных механизмов детоксикации позволило на этой основе прийти к созданию устройств и приборов, с тем или иным приближением воспроизводящих работу таких механизмов, вплоть до возможности конструирования автоматической экстракорпоральной системы детоксикации и поддержания гомеостаза [57]. В одних случаях используют стимулирующие воздействия, в других - предпочтение отдают так называемым аферезным методам, в третьих - моделируют механизмы естественной элиминации продуктов обмена. Не все компоненты функциональной системы детоксикации удается в настоящее время смоделировать в одинаковой степени. Приведем классификацию методов активной детоксикации, внедренных и внедряемых в настоящее время в клиническую практику.
Исследование динамики спектров экстинкции ЖБС в ходе сеанса гемодиализа методом УФ спектрометрии
Применение абсорбционного спектрального анализа для целей мониторинга процессов детоксикации ЖБС может быть реализовано при наличии корреляционных связей изменений в спектрах поглощения исследуемой среды и изменений в концентрации компонентов, входящих в ее состав.
Исследуемой биологической средой при активной детоксикации диализными методами может служить диализная жидкость (диализат), состав которой до начала сеанса специально готовится и включает ряд веществ, спектры поглощения которых находятся в области длин волн, короче 200 нм. Напомним, при проведении сеанса гемодиализа кровеносная система больного подключается к контуру крови аппарата «Искусственная почка» и кровь циркулирует через мембранный объем (диализатор). К этому же объему с тыльной стороны мембраны подключается диализный контур, работающий в проточном режиме. Размер пор мембраны подбирается таковым, чтобы низкомолекулярные вещества, находящиеся в крови, могли в силу разнообразных процессов (разница в давлениях контуров, различие концентраций компонентов в жидкостях и др.) переходить в диализат и удаляться.
Для оценки возможности применения абсорбционного спектрального анализа были исследованы спектры пропускания ряда проб диализата, полученные из диализного контура во время проведения одного из сеансов гемодиализа больного с хронической почечной недостаточностью (больная М., сеанс 20.04.2000). Были исследованы пробы до начала сеанса, через 5, 30, 60, 90, 180 и 210 мин. после начала процедуры. Процедура проводилась на аппарате "Fresenius 2008", длительность сеанса - 3.5 часа. Использовался бикарбонатный диализный раствор. Спектры пропускания проб измерялись непосредственно после окончания сеанса.
Эталоном сравнения служила дистиллированная вода. Использовались 5 мм кварцевые кюветы. Для всех проб проводился параллельный биохимический анализ по стандартным методикам. Определялась концентрация мочевины, креатинина, мочевой кислоты и фосфатов.
Все пробы представляли собой бесцветную жидкость. Кювета располагалась перед входной щелью спектрофотометра. При облучении излучением источника растворов проб, взятых по ходу сеанса, наблюдалась слабая флюоресценция в коротковолновой видимой области.
Исследования проводились в области длин волн 200 ... 400 нм. Спектральное разрешение составляло 0.7 нм. Погрешность измерений 5%. Источником излучения служила дейтериевая лампа типа ДДС-30[21,23,30]. Данные биохимического анализа взятых проб представлены в таблице 2.1.
В начальной фазе сеанса экстракорпоральной детоксикации в крови больного концентрация токсических компонентов максимальна, поэтому максимальна разность концентраций по обе стороны мембраны диализатора и в диализную жидкость выводится значительное количество токсинов. В ходе сеанса концентрация компонентов в крови снижается, следовательно, должно снижаться и содержание выводимых компонентов в диализате. Изменение состава диализата в ходе сеанса должно сопровождаться изменением поглощения в областях селективного поглощения излучения.
Результаты исследований представлены на рис.2.1...2.3. Спектральное пропускание чистого диализата до начала сеанса гемодиализа (рис.2.1.) не содержит полос поглощения в области длин волн 210...380 нм. Наблюдаемая на спектре полоса поглощения в области 200 нм связана поглощением бикарбоната и других солей, специально вводимых в диализат.
Сопоставление спектров пропускания до и в ходе сеанса гемодиализа показывает, что информативной для дальнейшего анализа состава диализата является спектральная область 200...350 нм.
Как следует из данных таблицы 2.1. и временной динамики спектров поглощения, наблюдается определенная корреляция изменений концентрации компонентов в составе исследуемой среды и динамики спектрального поглощения. Поглощение излучения в диализате максимально в начале сеанса и снижается по ходу сеанса, так как в каждой следующей пробе понижается концентрация компонентов.
Таким образом, метод абсорбционной УФ спектрометрии в диапазоне длин волн 200...350 нм может служить источником получения объективной информации о составе ЖБС и ее изменении в процессе детоксикационных процедур.
Более детальный анализ изменений состава крови и диализата в ходе сеанса гемодиализа и их количественная оценка потребовал специальных исследований.
Результаты исследований процесса ГД, полученные методом ВЗЖХ, приведенные в главе 1, показывают, какие вещества выводятся из крови больного в про-цессе сеанса гемодиализа (рис.1.2, 1.3). Отметим, что размер пор диализатора подбирается таким образом, чтобы выводились низкомолекулярные компоненты крови. Таких веществ несколько, но, основываясь на результатах анализов крови, диализата и мочи методом ВЭЖХ, выделим те из них, концентрация которых существенно изменялась по ходу сеанса.
Наблюдаемое по спектрофотометрическим измерениям изменение спектрального поглощения диализата в ходе сеанса (рис.2.3) в области длин волн 200 ... 350 нм могут быть связаны как с одним, так и с несколькими компонентами, спектр поглощения которых в диапазоне реально существующих в крови концентраций, приходится на эту спектральную область.
Как следует из приведенных в главе 1 результатов спектральных исследований (рис.1.4.а., д), на область длин волн 200 ... 400 нм приходятся полосы поглощения многих компонентов, которые присутствуют в диализате. Поэтому информативной является вся эта область, а анализ состава должен проводиться одновременно по нескольким компонентам. Степень вклада в наблюдаемое на спектрограммах поглощение диализата той или иной компоненты определяется концентрацией и величиной молярного коэффициента экстинкции.
Для количественной оценки наблюдаемых на спектрограммах временных изменений целесообразно рассчитать величину относительного изменения спектрального поглощения диализата в информативной области длин волн относительно пробы, взятой на 5-й минуте сеанса и сравнить результаты расчетов с относительным изменением концентрации компонентов в тех же пробах, полученных биохимическими методами.
Расчет относительного поглощения проводился по данным рис.2.3. для проб, взятых на 30, 90,180 и 210 мин. в спектральной области 200...310 нм и представлен на рис .2.5.
Математическая модель коррекции спектра поглощения однокомпонентний среды в условиях значительного изменения концентрации
Абсорбционный спектральный анализ смеси основан на классическом законе Бугера - Ламберта - Бера и принципе аддитивности. Для смеси из N невзаимодействующих компонентов спектральный показатель поглощения Ад слоя среды единичной толщины, может быть записан, как kzx = ., =Л = , ДС,; , (3.1) где кг л - спектральный показатель поглощения смеси; Ад - спектральный показатель поглощения / - компонента на длине волны Я; я - спектральный коэффициент экстинкции / - компоненты; С, - концентрация / - компонента; N - число компонентов смеси, 1 і N. С учетом случайной ошибки измерений на длине волны Я, выражение (3.1) принимает вид кЕх =гЛ=, лС,; +sx) , (з.2) где 8л - случайная ошибка измерения спектрального показателя поглощения смеси.
Для определения концентрации компонентов смеси составляют систему уравнений (3.2), записанную для нескольких длин волн где М-число длин волн, на которых проводится анализ.
Оценка величины С, в системе уравнений (3.2) производится при условии М N одним из статистических методов, например, методом наименьших квадратов Гк = і(кЕ, (Г і(е ,Сі}}2 =тіп (3.3)
В выражении (3.3) предполагается, что для каждой компоненты известна зависимость молярного коэффициента экстинкции є х от длины волны, причем компоненты жидкой биологической среды не взаимодействуют.
Для оценки концентрации компонентов в смеси по формуле (3.3) необходимы точные данные о молярном коэффициенте экстинкции каждого компонента на нескольких длинах волн в пределах информативной спектральной области.
В настоящее время отсутствуют обоснованные теоретические методы расчета молярного коэффициента экстинкции є я вещества в полосе поглощения[5,72]. Поэтому сведения о величине и спектральном распределении молярного коэффициента экстинкции компонентов (креатинин, мочевина, мочевая кислота, фосфаты и другие вещества, присутствующие в ЖБС) могут быть получены только по результатам исследований спектров поглощения растворов этих веществ с известной концентрацией.
Предварительные исследования спектров пропускания отдельных компонентов ЖБС в диапазоне концентраций, которые реально наблюдаются в этих средах, показал, что: - приводимые в литературе экспериментальные данные о спектральном молярном коэффициенте экстинкции для исследованных компонентов (на длине волны максимума поглощения) неточны и могут служить только для качественной оценки поглощения; - полосы поглощения размыты и для многих компонентов перекрываются; - максимумы полос поглощения большинства компонентов лежат в области длин волн 200 ...380 нм, которую следует считать информативным диапазоном при анализе смеси; - построенные экспериментальные зависимости оптической плотности от концентрации для отдельных компонентов на длине волны максимума поглощения свидетельствуют об отклонении от классического линейного закона даже при низких концентрациях.
Эти исследования, результаты которых будут подробно обсуждены в параграфе 3.3, подтвердили часто наблюдаемые в экспериментально полученных спектрограммах отклонения от классического закона, а возможные причины отклонений подробно обсуждаются в литературе, [5]. Одним из обычно используемых способов исключения нелинейного участка при проведении анализа является ограничение диапазона анализируемых концентраций до узких границ линейного участка. Однако при организации мониторинга состава нативных биологических сред такой подход исключен.
На наш взгляд, нелинейность спектрального поглощения от концентрации должна быть учтена при построении математической модели для однокомпонентних растворов, поскольку в диапазоне измеренных концентраций нелинейность наблюдается для всех компонентов. По-видимому, при повышении концентрации вещества в растворе изменяется конфигурация электронных оболочек молекул, обусловленная, кроме влияния молекул растворителя, взаимным влиянием молекул.
Кроме этого обнаружено, что непосредственное применение принципа аддитивности в классическом варианте по формуле (3.3) для анализа биопроб диализата и церебро-спинальной жидкости, например для определения содержания мочевой кислоты и креатинина, приводит к существенным (до 90%) погрешностям, а в ряде случаев просто невозможно. Несоблюдение принципа аддитивности даже для двух-компонентной смеси достаточно часто наблюдаемое явление [5,531. Для уменьшения погрешности, обусловленной несоблюдением принципа аддитивности, составляют поправочные номограммы и проводят измерения на длинах волн максимумов поглощения, причем число компонентов редко превосходит три.
Отметим также, что согласно нашим исследованиям, некоторое количество исследуемых компонентов биосреды даже при низких концентрациях находится в связанном состоянии и не участвует в процессе взаимодействия с проходящим излучением. Эти выводы были получены на основании данных биохимического анализа проб биосред, взятых в ходе сеансов детоксикации, и результатов анализа по классической методике по спектрам поглощения смеси и спектров поглощения чистых компонентов в концентрациях, соответствующих биохимическому анализу. Отметим, что вклад в общее поглощение смеси, связанный с взаимным влиянием компонентов, невелик и может быть представлен линейной зависимостью от концентрации отдельных компонентов.
Возможности классического подхода к спектральному анализу смеси, таким образом, ограничены: расчет проводится на отдельных длинах волн максимумов поглощения для небольшого числа невзаимодействующих компонентов в узком диапазоне концентраций.
Если учесть, что предметом анализа в разрабатываемых информационно - измерительных системах является сложная среда и расчеты должны проводиться во всей информативной области в режиме on-line, изложенные выше подходы коррекции нелинейности поглощения и принципа аддитивности неприменимы.
Анализ выполненных предварительных исследований показал, что при разработке новых математических моделей, нелинейность поглощения смеси от концентрации компонентов должна быть учтена при описании однокомпонентных сред, а составляющая, учитывающая взаимное влияние компонентов, может быть представлена линейной зависимостью [25].
Закон Ламберта - Бера - Бугера, устанавливающий линейную зависимость поглощения от концентрации, справедлив для разреженных газов и слабо концентрированных жидких сред. Многими исследованиями доказано, что при увеличении концентрации наблюдаются значительные отклонения от этого закона, которые могут быть объяснены взаимным влиянием молекул при увеличении концентрации. Характер этих изменений может быть различным, но во всех случаях эта зависимость нелинейна.
Поскольку мерой общей интенсивности широкой спектральной полосы служит сила осциллятора перехода f, определяемой формулой (2.5), наблюдаемая в экспериментах нелинейность может быть связана с изменением волновых функций начального и конечного состояний при изменении концентрации.
Возможны два способа учета нелинейности поглощения вещества от концентрации: проведение калибровочных измерений растворов исследуемой компоненты с известной концентрацией и аппроксимация наблюдаемой зависимости на длине волны максимума поглощения математическим выражением; задать в общем виде функцию, описывающую нелинейность коэффициента поглощения, рассмотреть возможность ее применения для конфетных сред и оценить адекватность данной модели в условиях изменения концентрации раствора.
Методика организации комплексного мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии
Автоматизированные системы комплексного мониторинга состава ЖБС методом УФ спектрометрии должны являться составным элементом аппаратов и устройств, которые обеспечивают проведение соответствующих лечебных процедур.
Лечебные процедуры экстракорпоральной детоксикации ЖБС проводятся в непрерывном режиме, поэтому одним из важных требований мониторинга является контроль состава ЖБС в режиме on-line. Это требование, если анализ проводится методом абсорбционной спектрометрии, обуславливает необходимость применения быстродействующих автоматизированных спектральных аппаратов и проточных кювет.
Система мониторинга должна быть подключена и согласована с устройствами, осуществляющими детоксикацию ЖБС, а результаты анализа представлены в доступном виде лечащему врачу [9,10]. В общем виде схема построения систем мониторинга по УФ спектрам экстинкции во время проведения лечебных процедур включает: объект мониторинга {больной, состав ЖБС которого подвергается экстракорпоральной детоксикации); устройство экстракорпорального воздействия на ЖБС (аппарат «Искусственная почка», система ликворосорбции); устройство, обеспечивающее безопасный доступ к исследуемой ЖБС для получения объективной информации о ее составе; спектральный аппарат для регистрации спектров экстинкции; блоки обработки спектральной информации и анализа состава ЖБС; устройство отображения текущей информации о ходе лечебной процедуры; блок анализа результатов и выработки рекомендаций лечащему врачу о необходимой коррекции процедуры; система обратной связи.
Схема построения системы мониторинга процедуры гемодиализа. 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; б -приемно-регистрирующая система многоканального спектроанализатора; 7- блок обработки; 8 - ЭВМ; 9 - блок результатов анализа; 10 - блок выходных данных о ходе процесса гемокоррекции; 11- блок рекомендаций по коррекции лечебных мероприятий.
Схема построения системы мониторинга сеанса ликворосорбции. 1 - пациент; 2- аппарат " Ликворосорб", подключенный к ликворной системе больного; 3 - массообменник; 4 - камера сорбента; 5- источник излучения; К1 - входная проточная кювета с ликвором; К2 - выходная проточная кювета с очищенным ликво-ром; 6 - приемно-регистрирующая система многоканального спектроанализатора; 7-блок обработки; 8 - ЭВМ; 9- блок результатов анализа; 10 - блок выходных данных процесса ликворосорбции; 11- блок рекомендаций по коррекции лечебных мероприятий.
Общим звеном, связывающим лечебную процедуру и спектральный аализатор, является проточная кювета, оптическая толщина которой должны быть оптимальной как по скорости протекания исследуемой среды, так и по уровню пропускания излучения.
Многоканальный спектроанализатор является наиболее ответственным узлом системы и, дополнительно к требованиям по разрешению и спектральной области, должен работать в автоматическом режиме при минимальном времени регистрации спектра с представлением спектральной информации в удобном для последующей обработки виде.
Процедура обработки спектральной информации по рассмотренным принципам и математическим моделям включает два этапа - предварительный, необходимый для расчета коэффициентов коррекции поглощения для каждого из анализируемых компонентов, и этап анализа.
Методика организации мониторинга на предварительном этапе включает следующие процедуры измерений и расчетов: готовится серия П растворов для каждого из N анализируемых компонентов с известной концентрацией {С} ;=і , в информативной области Л1...Л2 измеряются спектры экстинкции {к л,— ЦО)} i=i каждого раствора; составляется система уравнений (3-4) и определяются спектральные коэффициенты коррекции поглощения {Aij , А2,} і=і для каждого компонента; формируется база данных о спектральном поглощении компонентов; организуется контрольный сеанс процесса детоксикации исследуемой жидкой биологической среды; в ходе сеанса отбирается П биопроб и для каждой пробы измеряется спектр экстинкции {{к л = f(C І)} І=І } j=i в информативной области; параллельно в каждой биопробе определяется концентрация каждого из анализируемых компонентов {С$ І=І стандартными методами; составляется система уравнений (3.14а) и определяются коэффициенты коррекции взаимного влияния {Aj} м для каждого анализируемого компонента.
На этапе анализа и расчета концентрации компонентов в процессе мониторинга: уточняется информативная область спектра Лі.. .Лг; для каждой длины волны информативной области в систему уравнений (3-15) вводятся данные спектральных коэффициентов коррекции поглощения для анализируемых компонентов {Aij , A2J І=І (диагональные элементы матрицы коэффициентов экстинкции) и спектральных коэффициентов коррекции взаимного влияния компонентов {А$ (=1 (недиагональные элементы матрицы коэффициентов экстинкции); проточная кювета спектрального аппарата подключается к системам детоксикации и организуется система мониторинга состава ЖБС в ходе лечебной процедуры (исследуемая среда и процесс детоксикации должен быть аналогичен контрольному мониторингу); в режиме on-line измеряется индивидуальный спектр экстинкции исследуемой среды в информативной области спектра {к лт (tr )} т=1 Спектр отражает индивидуальные особенности обменных процессов пациента и изменения, происхо 142 дящие в среде в процессе лечебной процедуры. Измерения могут проводиться дискретно или в автоматическом режиме.
