3vze_s4_p3_ivanov3

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРОВИ

Иванов А. П., Барун В. В., (Беларусь, Минск), Петрук В. Г., Кватернюк С. М. (Украина, Винница)

В настоящее время хорошо разработан спектрофотометрический метод определения ряда характеристик гемолизированной крови. Он основан на измерении ослабления света и расчете концентрации поглощающего материала по найденной оптической плотности раствора в соответствии с законом Бугера – Бера. Однако аналогичная задача для суспензии эритроцитов имеет ряд особенностей, связанных с рассеянием света. Для восстановления параметров среды по измерению рассеянного ею света нужно использовать достаточно громоздкие и неудобные при обработке вычислительные методики (в основном, инверсный метод Монте Карло). Это затрудняет их широкое внедрение в практику. В данной работе, на основании аналитических инженерных подходов предложены достаточно простые спектрофотометрические способы измерения в суспензии крови таких характеристик как степень агрегации эритроцитов, концентрация гемоглобина, степень оксигенации крови.

Определение степени агрегации эритроцитов • Эритроциты в норме представляют собой двояковогнутые диски. Их диаметр составляет 7 – 9 мкм, по краю толщина 1.7 – 2.4 мкм, а в центре 0.9 – 1.2 мкм [1, 2]. Эритроциты способны агрегировать, связываясь друг с другом основаниями дисков, и образовывать цилиндрические цепочки. Число эритроцитов в агрегате может быть от нескольких до сотен штук [1, 2]. Поэтому длина l цепочки может сильно варьироваться – от примерно 2 мкм до 200 и более мкм, тогда как ее диаметр меняется в существенно более узких пределах. Нарушение степени агрегации (длины l) эритроцитов может свидетельствовать о ряде патологий крови.

• Будем моделировать эритроциты цилиндром с круговым основанием диаметром d = 8 мкм и высотой l0 = 2 мкм. Соответственно, агрегат эритроцитов будем полагать цилиндром, диаметр которого равен d, а длина – l = l0 N, где N – число частиц в агрегате.

Измеряемые спектральные характеристики Измерение характеристик крови основано на измерении ее показателя поглощения Известно, что показатели поглощения раствора вещества и суспензии частиц из того же вещества могут сильно различаться. В первом случае показатель поглощения крови есть просто средневзвешенная сумма соответствующих показателей компонент (учитываем только основные компоненты – окси- HbO2 и деоксигемоглобин Hb)

k b* (λ ) = α Hf [ Sk HbO2 (λ ) + (1 − S ) k Hb (λ )] = α Hke (λ )

где α – коэффициент, характеризующий степень возможного разбавления пробы (α α≤ 1), который равен 1 для цельной крови, H – гематокрит (объемная доля эритроцитов в крови), f – объемная доля гемоглобина в эритроцитах,kHbO2 , kHb и ke – показатели поглощения соответственно окси-, деоксигемоглобина и эритроцитов, S – степень оксигенации крови, представляющая собой отношение концентраций оксигемоглобина и всего гемоглобина. В случае суспензии не весь свет попадает в эритроциты, содержащие гемоглобин. Часть его проходит вне частиц и не поглощается.

k b (λ ) = cα Hf [ Sk HbO 2 (λ ) + (1 − S ) k Hb ( λ )] = cα Hk e (λ )

Здесь с ≤ 1 – поправочный коэффициент, говорящий о нарушении закона Бера для дисперсного поглотителя. Его значения как раз указывает долю массы, эффективно участвующей в поглощении. Аналитические выражения с, связанные с l, и его расчет приведен в [3]. Если измерить с, то можно определить l т. е степень агрегации эритроцитов.

D* = ln(1 / T ) = k L *

D D =c *

D/ D* 1

0.6

а

б

3

0.8

2

0.4

0.6 2

3

0.4

4

0.2 0 300

D = ln(1 / T ) = k b L

L –толщина кюветы через которую проходит свет.

D*, D 0.8

,

* b

350

400

450 λ, нм

1

0.2 0

4

8

12

16

Зависимость оптической плотности от λ (а) и N (б); а: 1 – раствор, 2 – l = 2, 3 – 4, 4 – 40 мкм; б: 1 – λ = 418, 2 – 400, 3 – 450нм

N

Определение концентрация гемоглобина в пробе крови При решении этого вопроса основу аналитического подхода составляет асимптотическая теория переноса излучения [4]. Область ее применимости как раз соответствует оптическим свойствам суспензии эритроцитов, особенно в красной и ближней ИК области спектра, которые явным образом связаны с искомыми параметрами крови (концентрацией гемоглобина C и показателем рассеяния агрегатов эритроцитроцитов σ).

При использовании этого подхода обычно измеряют коэффициенты диффузного отражения R и пропускания T слоя среды.

0,45

0,30 0,28

0,40

40 35

σ, см

-1

30

0,35

а

40

0,26 0,24

25 0,30

20

б

35 30

0,22

R 0,25

25

R 0,20

15

σ, см-1

0,04 0,20

20

0,18

0,05 0,06

0,16

0,07

0,15

0,08

C

0,14

0,1 0,10 0,05 0,00

0,12 0,14

0,02

0,04

0,06

15 0,54 0,58 0,60 0,64 0,62 ρ

0,12 0,08

0,10

T

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,10 0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

T

Номограммы R – T при λ = 800 нм (здесь влияние степени оксигенации отсутствует), L = 0.2 см, различных σ и C (а), различных σ и ρ (б)

Определение степени оксигенации гемоглобина в пробе крови при известных C и σ 0,1

0,28

а

1

б

1

2

3

0,26

0,24

R 0,22

1

2

0,20

T

0,01

2

3

3

0,18

0,16

0,001 0,14 0,5

0,6

0,7

S

0,8

0,9

1,0

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

S

Зависимость коэффициентов диффузного отражения (а) и пропускания (б) от степени оксигенации крови S при l = 700 (кривые 1), 750 (2) и 775 нм (3). Для а - L = 0.2 см, для б - сплошные линии L = 0.2 см, пунктирные 0.4 см

1,0

Литература • 1. Кассирский И. А., Алексеев Г. А.. Клиническая гематология, Москва: Медицина. 1970.

• 2. Левтов В. А., Регирер С. А., Шадрина Н. Х.. Реология крови, Москва: Медицина.

1982.

• 3. Барун В. В., Иванов А. П. // Опт. спектроск. – 2004. – Т. 96. – С. 1019 – 1024.

• 4. Зеге Э. П., Иванов А. П., Кацев И. Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техника. 1985. 327 с.

Благодарю за внимание