УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА ГЕМОДИАЛИЗА

Полезная модель относится к области оптики, а именно к исследованию и анализу жидких биологических сред с помощью спектрофотометрических методов и может быть использована для определения концентрации мочевой кислоты в биологических жидкостях, например, пробах отработанного диализата в процессе гемодиализа в режиме реального времени.
Гемодиализная терапия - основной способ поддержания жизни больных, страдающих хронической почечной недостаточностью. Кровеносная система пациента подключается к аппарату «Искусственная почка», и в течение 3… 5 часов из крови через полупроницаемую мембрану удаляются низкомолекулярные уремические токсины -мочевина, креатинин, мочевая кислота и другие компоненты. Проблема мониторинга по параметрам адекватности процесса гемодиализа до настоящего времени не решена, хотя предложено несколько подходов, применение которых связано с использованием расходных материалов и дорогостоящей аппаратуры, стоимость которой соизмерима со стоимостью гемодиализных аппаратов.
Известно несколько устройств для определения содержания продуктов метаболизма в диализной жидкости в процессе диализного лечения, основанных на спектрофотометрическом методе.
Известно устройство для мониторинга процесса гемодиализа (WO 99/62574, 09.12.1999), состоящее из источника света, оптической системы формирования и передачи светового пучка, проточной кюветы, подсоединенной к выходной магистрали аппарата «Искусственная почка», фотодетектора и компьютера, оснащенного дисплеем и принтером. Принцип действия основан на измерении спектрального пропускания диализата в проточной кювете в выходной магистрали аппарата «Искусственная почка» в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, например, на длине волны 280 нм, с заданным интервалом времени, построении графика, отражающего изменение показателя поглощения диализата в ходе сеанса гемодиализа в относительных единицах. Показатель УФ-абсорбции на длине волны 280 нм имеет прямую корреляционную зависимость с концентрацией мочевины и креатинина в пробах отработанного диализата.
К недостаткам такого устройства мониторинга можно отнести невозможность определения концентрации отдельных компонентов пробы, так как для этого необходима дополнительная информация и уточненная методика анализа и обработки спектральных данных.
Известно устройство для мониторинга жидкой биологической среды, например компонентов диализной жидкости в процессе гемодиализа (RU, Патент №2161791, 10.01.2001), содержащее установленные последовательно источник излучения, оптическую систему формирования пучка, проточную кювету с протекающей через нее исследуемой жидкостью, приемник оптического излучения (спектрометр) и блок обработки сигналов с интерфейсом. Принцип действия основан на формировании светового пучка источника сплошного спектра в контролируемой зоне жидкой биологической среды, разложении прошедшего излучения в спектр, и заключается в том, что перед началом мониторинга пропускают поток светового излучения через кювету с растворами исследуемых компонентов известной концентрации, разлагают прошедшее излучение в спектр и определяют участок спектра, включающий все полосы поглощения исследуемых компонент, затем в этом участке определяют изменение характеристик поглощения и вычисляют спектральные коэффициенты корреляции динамики поглощения для каждого исследуемого компонента, потом пропускают световой поток через кювету с протекающей через нее жидкой биологической среды, а затем по спектральным коэффициентам корреляции динамики поглощения исследуемых компонентов рассчитывают концентрацию исследуемых компонентов.
К недостаткам устройства можно отнести необходимость использования сложного и дорогостоящего спектрального оборудования.
Известно устройство для мониторинга процесса гемодиализа (RU, Патент №121373, 20.10.2012), состоящее из 2-х источников излучения, максимумы спектра излучения которых расположены на длинах волн 265 нм и 290 нм соответственно, оптической системы формирования пучка, проточной кюветы, подсоединенной к выходной магистрали аппарата «Искусственная почка», приемника оптического излучения и блока обработки сигналов с интерфейсом. Непосредственно перед началом сеанса гемодиализа, когда в выходной магистрали протекает чистый диализат, не содержащий контролируемых в процессе мониторинга компонентов и являющийся эталоном сравнения, устанавливают начальный режим работы устройства и измеряют опорные сигналы на выходе фотоприемников, соответствующие 100% пропусканию. Принцип действия основан на измерении спектрального пропускания диализата в проточной кювете в выходной магистрали аппарата «Искусственная почка» на двух длинах волн 265 нм и 290 нм. Расчет концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости по пропусканию на двух длинах волн основан на законе Бугера-Ламберта-Бера и принципе аддитивности для бинарной среды.
К недостаткам такого устройства мониторинга можно отнести невозможность регистрации опорных сигналов пропускания излучения во время проведения процедуры гемодиализа. Вследствие чего не учитывается погрешность измерений, связанная с возможным изменением свойств чистого диализата (растворителя исследуемой пробы) в ходе процесса гемодиализа. Кроме того, необходимость регистрации опорных сигналов пропускания излучения через эталонный раствор до подключения пациента к аппарату «Искусственная почка» исключает применение устройства мониторинга процесса гемодиализа после начала процедуры.
Рассмотренное устройство является наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание простого прибора для мониторинга процесса гемодиализа по измерению концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате, способным работать в условиях изменения свойств чистого диализата; применение устройства мониторинга процесса гемодиализа возможно с любого момента времени процедуры.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство так же, как и известное, содержит установленные последовательно источники излучения, оптическую систему формирования пучка, проточную кювету, приемник оптического излучения и блок обработки сигналов с интерфейсом, отличающееся тем, что введен дополнительный источник излучения, максимум спектра излучения которого расположен в области длин 450-550 нм, а в качестве приемника излучения использован один фотоприемник, область спектральной чувствительности которого перекрывает спектры излучения используемых источников излучения.
Техническим результатом является уменьшение погрешности измерений и расширение условий применения устройства мониторинга процесса гемодиализа.
Полезная модель поясняется чертежами, на фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - спектры пропускания чистого диализата и проб отработанного диализата, отнесенных к разным типам предложенной классификации в области длин волн 190…550 нм, на фиг.3 - спектр поглощения одной из проб отработанного диализата, спектры поглощения мочевой кислоты, псевдокомпонента Nk, их сумма.
Изучение особенностей формы спектров поглощения проб диализата около 300 пациентов позволило предложить классификацию спектров по информативным признакам в области 260…290 нм (фиг.2): к группе А отнесены спектры поглощения, форма которых в данной области, описывается функцией dk/dλ>0 с максимумом в области 290 нм; к группе В - спектры, для которых характерна зависимость типа dk/dλ≈0 без явно выраженного максимума; к группе С - спектры, форма которых имеет спадающий участок в указанной области, при котором dk/dλ<0.
Состав диализной жидкости сложен и содержит большое количество компонентов с различными комбинациями концентраций. Анализ формы спектрального поглощения проб отработанного диализата в области 260…350 нм показал, что в этой области поглощение диализата определяется поглощением только двух компонентов (фиг.3): мочевой кислоты и условно названного псевдокомпонента Nk. Последний представляет собой совокупность нескольких компонентов, в число которых входят триптофан, гиппуровая кислота, псевдоуридин, аденозин и ряд других, в том числе неидентифициорованных, компонентов. Концентрация этих компонентов невелика, их комбинация, определяет индивидуальность и форму спектрального поглощения диализата. Экспериментальным путем был получен УФ спектр поглощения псевдокомпонента Nk. Разнообразие формы спектров пациентов может характеризоваться вариацией количества псевдокомпонента Nk в диализате.
1
2
Таким образом, для определения концентрации мочевой кислоты в диализате следует ограничить спектральную область диапазоном 260…350 нм и учесть вклад в поглощение диализата псевдокомпонента в этой области. Это обстоятельство существенно упрощает требования к спектральной аппаратуре - определение двух компонент в бинарной смеси, для чего необходимо измерить спектральное пропускание среды на двух длинах волн (λ=265 нм и λ=290 нм).
3
Измерение спектрального пропускания на третьей длине волны в диапазоне 450-550 нм позволяет регистрировать опорный сигнал во время проведения процедуры гемодиализа. При использовании в качестве эталона сравнения проб чистого диализата для измерения спектральных коэффициентов пропускания необходимо фиксировать опорный сигнал перед началом процедуры гемодиализа. Учитывая, что в диапазоне длин волн 450-550 нм (λ) коэффициенты пропускания проб как чистого (фиг.2), так и отработанного диализата соответствуют 100%, появляется возможность регистрировать опорный сигнал в указанном диапазоне во время проведения процедуры гемодиализа. Введение третьего светодиода позволяет уменьшить погрешность измерений, связанную с возможным изменением свойств чистого диализата (растворителя исследуемой пробы) в ходе процесса гемодиализа. Кроме того, необходимость регистрации опорных сигналов пропускания излучения через эталонный раствор до подключения пациента к аппарату «Искусственная почка» исключает применение устройства мониторинга процесса гемодиализа после начала процедуры. Применение предлагаемого устройства мониторинга процесса гемодиализа возможно с любого момента времени процедуры
Устройство мониторинга процесса гемодиализа содержит (фиг.1) последовательно установленные источник излучения 1, включающий три светодиода с максимумами спектра излучения на длинах волн 265 нм, 290 нм и 550 нм соответственно; оптическую систему формирования пучков 2; проточную кварцевую кювету 3, подключенную к диализной магистрали аппарата «Искусственная почка» с протекающей через нее диализной жидкостью; приемник оптического излучения 4, включающий фотоприемник для регистрации излучения светодиодов, прошедшего через кювету с диализатом; блок обработки сигналов с интерфейсом 5 и компьютер 6, оснащенный специализированным программным обеспечением.
d(λ)
1
2
Расчет концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости по пропусканию на двух длинах волн основан на законе Бугера-Ламберта-Бера и принципе аддитивности, согласно которым для смеси из двух невзаимодействующих компонентов спектральный показатель поглощения k слоя среды единичной толщины на длинах волн λ и λ, может быть записан, как
где: ,  - спектральное поглощение диализной жидкости (исследуемой среды) на выбранных длинах волн;
1
2
,  - спектральное поглощение мочевой кислоты на длинах волн λ и λ соответственно;
,  - спектральное поглощение компонента Nk на длинах волн λ1 и λ2 соответственно;
1
2
,  - спектральные удельные коэффициенты поглощения мочевой кислоты на длинах волн λ и λ;
1
2
,  - спектральные удельные коэффициенты поглощения компонента Nk на длинах волн λ и λ;
1
2
C - концентрация мочевой кислоты в диализной жидкости; С - концентрация компонента Nk в диализной жидкости;
λ1
λ1
λ
1
2
3
3
Т, Т - измеренное спектральное пропускание диализной жидкости на выбранных длинах волн; спектральный коэффициент пропускания объекта вычисляется, как отношение потоков , где I - интенсивность излучения на выбранной длине волны (λ или λ), прошедшего через исследуемый объект;  - интенсивность излучения опорного сигнала на длине волны λ, прошедшего через исследуемый объект. λ расположена в диапазоне длин волн, где интенсивность прошедшего излучения пробчистого и отработанного диализата одинакова.
Устройство обеспечивает автоматизированное измерение коэффициентов пропускания диализной жидкости в диализной магистрали аппарата «Искусственная почка» на длинах волн 265 нм, 290 нм и 550 нм в заданные моменты времени, расчет концентрации мочевой кислоты и псевдокомпонента Nk, построение временных зависимостей концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости по ходу сеанса и количества мочевой кислоты, выведенной из организма больного, с момента начала сеанса, вывод результатов мониторинга на экран компьютера и их сохранение в виде файла. Измерение спектрального пропускания на третьей длине волны в 550 нм позволяет регистрировать опорный сигнал во время проведения процедуры гемодиализа.
Устройство работает следующим образом. Излучение светодиодов 1 с помощью системы формирования пучков 2 направляют на выделенную зону кварцевой проточной кюветы 3, подключенной к диализной магистрали аппарата «Искусственная почка» и фокусируют прошедшее через кювету с диализной жидкостью излучение на фотоприемник 4. Блок обработки сигналов с интерфейсом 5 состоит из модуля регистрации электрических сигналов с выхода каждого канала фотоприемника с последующим усилением и преобразованием в цифровой код. Кроме того, в блоке обработки сигналов с интерфейсом 5 предусмотрены установка режима регистрации, управление работой источников излучения с помощью питания источников, расчет коэффициентов пропускания диализата на аналитических длинах волн, сохранение данных во внутреннем буфере, формирование и передача данных к компьютеру 6.
После подключения пациента к аппарату «Искусственная почка» по сигналу таймера, через равные промежутки времени производится регистрация сигналов на выходе фотоприемника, и для каждого канала (на длине волны 265 нм, 290 нм и в 550 нм) рассчитывается коэффициент пропускания излучения, прошедшего через кювету в данный момент времени. Полученные данные обрабатываются, и по предложенному методу рассчитывается концентрация мочевой кислоты и количество мочевой кислоты, выведенной из организма больного. Полученные данные сохраняются во внутреннем буфере, и по запросу передаются в компьютер 6.
Установка режима мониторинга (длительность процесса, периодичность измерений) и параметров расчета (удельные коэффициенты поглощения компонентов, сухой вес больного, скорость потока диализата, шифр больного), расчет концентрации контролируемых компонентов в диализной жидкости, построение графиков зависимости концентрации и общего количества выведенной из организма больного мочевой кислоты от времени, сохранение результатов мониторинга реализуются с помощью специализированного программного обеспечения, выполняемого в компьютере 6.
Следует отметить, что при спектральном исследовании проб отработанного диализата разных типов ранее предложенной классификации на уровень поглощения диализата в полосе поглощения мочевой кислоты оказывает влияние концентрация компонента в диализной жидкости. Это обстоятельство доказывает, что определение концентрации мочевой кислоты классическим методом по уровню поглощения диализной жидкости на одной длине волны (в области максимума поглощения) неизбежно приводит к искажению результатов.
Для учета вклада псевдокомпонента Nk в спектральное поглощение диализата и повышения точности определения концентрации мочевой кислоты необходимо проводить измерения как минимум в двух спектральных областях - области максимума поглощения мочевой кислоты 280…300 нм и в области минимума полос поглощения 250…270 нм.
В каждой из указанных областей необходимо выделить узкий спектральный участок, например, 265 нм и 290 нм, выбрать светодиоды, излучающие в этих областях, и измерить спектральное пропускание диализата.
Светодиоды, примененные в заявляемом устройстве, излучают на длинах волн 290 нм и 265 нм и 550 нм, использование последнего позволяет регистрировать опорный сигнал во время проведения процедуры гемодиализа. Кварцевая проточная кювета при оптической толщине 5 мм хорошо согласуется с размерами выходных диализных магистралей аппарата «Искусственная почка» и скоростью потока диализата. Устройство не требует дополнительных источников питания (полупроводниковые светодиоды питаются от ЭВМ через USB-порт, через который организуется обмен данными).
Применение предлагаемого устройства для определения концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости в выходной магистрали аппарата «Искусственная почка» позволяет уменьшить погрешность измерений в условиях изменения свойств чистого диализата. Использование устройства мониторинга возможно с любого момента времени процедуры гемодиализа.
Пример. Применение полезной модели для определения концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости в процессе сеанса гемодиализа.
Заявляемое устройство было применено для определения концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости выходной магистрали аппарата «Искусственная почка» в ходе одного из сеансов гемодиализа. Одновременно были взяты пробы для спектральных измерений. В каждой пробе параллельно определялась концентрация мочевой кислоты стандартным биохимическим методом. В табл.1 сопоставлены результаты расчета концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости по предлагаемому устройству и данные биохимического анализа.
Таблица 1. Сопоставление результатов расчета концентрации мочевой кислоты в диализной жидкости по величине спектрального поглощения с результатами биохимического анализа
t, мин
С<sub>AcUr</sub>, мкмоль/л предложенное устройство
С<sub>AcUr</sub>, мкмоль/л биохимический анализ
15
146
140
30
128
120
60
103
100
90
86
80
120
72
70
150
61
60
180
54
50
210
44
40
Расхождение результатов расчета концентрации мочевой кислоты по предлагаемому устройству с данными биохимических исследований не превосходит 10%.