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. Устройство мониторинга процесса гемодиализа содержит: источник излучения, включающий два светодиода с максимумами спектра излучения на длинах волн 290 нм и 265 нм соответственно; оптическую систему формирования пучков; проточную кварцевую кювету, подключенную к диализной магистрали аппарата «Искусственная почка» с протекающей через нее диализной жидкостью; приемник оптического излучения, включающий два фотоприемника для регистрации излучения светодиодов, прошедшего через кювету с диализатом; блок обработки сигналов с интерфейсом и компьютер, оснащенный специализированным программным обеспечением. Техническим результатом является упрощение устройства мониторинга.

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 35 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 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 2161791 С2, 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.

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 диализа по измерению концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство так же, как и известное, содержит установленные последовательно источник излучения, оптическую систему формирования пучка, проточную кювету, приемник оптического излучения и блок обработки сигналов с интерфейсом, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется два светодиода, максимум спектра излучения одного из которых расположен в области длин волн 265 нм, другого - в области длин волн 290 нм, а в качестве приемника излучения используются два фотоприемника, области спектральной чувствительности которых перекрывает спектры излучения соответствующих светодиодов.

Техническим результатом является упрощение устройства мониторинга.

Полезная модель поясняется чертежами, на фиг.1 изображена структурная схема устройства, на фиг.2 - спектральное поглощение основных составляющих пробы отработанного диализата в области длин волн 200350 нм на фиг.3 - спектральные характеристики растворов мочевой кислоты с концентрацией 0.05, 0.10, 0.15 и 0.20 ммоль/л, на фиг.4 - спектральное поглощение диализата (проба на 15 мин. сеанса, больной К., тип кривой В) и спектры типа А и С, полученные путем изменения концентрации псевдокомпонента Nk в диализной жидкости.

Состав диализной жидкости сложен и содержит большое количество компонентов с различными комбинациями концентраций. Результатами исследований спектрального поглощения диализной жидкости в процессе гемодиализа, в области длин волн 200350 нм доказано, что поглощение излучения в основном обусловлено присутствием в диализате низкомолекулярных компонентов - мочевины, креатинина, мочевой кислоты, триптофана, гиппуровой кислоты, псевдоуридина, аденозина и ряда других компонентов.

Спектр поглощения чистой диализной жидкости лежит в области 200210 нм, мочевины - 200220 нм, креатинина 200250 нм, мочевой кислоты 200350 нм. Пул остальных компонентов, присутствующих в диализате в небольших количествах, поглощает излучение в области 200350 нм и условно может быть назван псевдокомпонентом Nk (фиг.2).

Таким образом, для определения концентрации мочевой кислоты в диализате следует ограничить спектральную область диапазоном 260350 нм и учесть вклад в поглощение диализата псевдокомпонента Nk 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.

Устройство мониторинга процесса гемодиализа содержит (фиг.1): источник излучения 1, включающий два светодиода с максимумами спектра излучения на длинах волн 290 нм и 265 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 два фотоприемника для регистрации излучения светодиодов, прошедшего через кювету с диализатом; блок обработки сигналов с интерфейсом 5 и компьютер 6, оснащенный специализированным программным обеспечением.

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_d() слоя среды единичной толщины на длинах волн ₁ и ₂ может быть записан, как

где: , - спектральное поглощение диализной жидкости (исследуемой среды) на выбранных длинах волн;

T₁, T₂ - измеренное спектральное пропускание диализной жидкости на выбранных длинах волн;

, - спектральное поглощение мочевой кислоты на длинах волн ₁, ₂ соответственно;

, - спектральное поглощение компонента Nk на длинах волн ₁ и ₂ соответственно;

, - спектральные удельные коэффициенты поглощения мочевой кислоты на длинах волн ₁ и ₂;

, - спектральные удельные коэффициенты поглощения компонента Nk на длинах волн ₁ и ₂;

C₁ - концентрация мочевой кислоты в диализной жидкости; C₂ - концентрация компонента Nk в диализной жидкости.

Устройство обеспечивает автоматизированное измерение коэффициентов пропускания диализной жидкости в диализной магистрали аппарата «Искусственная почка» на длинах волн 265 нм и 290 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.

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 фотоприемники 4. Блок обработки сигналов с интерфейсом 5 состоит из модуля регистрации электрических сигналов с выхода каждого 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, регистрация опорных сигналов, расчет коэффициентов пропускания диализата на аналитических длинах волн, сохранение данных во внутреннем буфере, формирование и передача данных к компьютеру 6.

Непосредственно перед началом сеанса гемодиализа, когда пациент еще не подключен к аппарату, магистрали экстракорпорального контура и диализатор заполнены физиологическим раствором. При этом в выходной магистрали протекает чистый диализат из системы подготовки диализата, не содержащий контролируемых в процессе мониторинга компонентов и являющийся эталоном сравнения. В данный момент времени с помощью блока обработки сигналов с интерфейсом 5 устанавливают начальный режим работы устройства и измеряют опорные сигналы на выходе фотоприемников, соответствующие 100% пропусканию. После подключения пациента к диализатору по сигналу таймера, через равные промежутки времени производится регистрация сигналов на выходе фотоприемников, и для каждого канала (на длине волны 265 нм и 290 нм) рассчитывается коэффициент пропускания излучения, прошедшего через кювету в данный момент времени. 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.

Анализ спектров пропускания и поглощения растворов мочевой кислоты различной концентрации (фиг.3) показывает, что для количественной оценки концентрации мочевой кислоты в растворах могут быть использованы одна из полос поглощения, которые описываются следующими характеристиками: _max=235 нм, =14 нм; _max=290 нм, =12 нм.

Спектральные исследования диализной жидкости большой группы пациентов (выборка - 81 пациент, более 250 сеансов гемодиализа, показали, что по форме спектрального поглощения спектры могут быть разделены на группы А, В и С и позволили экспериментально определить форму спектра поглощения псевдокомпонента Nk. Разнообразие формы спектров пациентов может характеризоваться вариацией количества псевдокомпонента Nk в диализате.

На фиг.4. представлены спектр поглощения пробы диализата типа В (больной К.), взятой на 15 минуте с начала сеанса диализа, а также спектры поглощения типа А и С полученные путем изменении количества псевдокомпонента Nk.

Очевидно, что форма кривой поглощения диализата, отнесенного к типу А, в области 290 нм в основном определяется относительным содержанием мочевой кислоты (полоса _max=290 нм, фиг.3). В области длин волн 250290 нм форма кривой поглощения определяется присутствием в диализной жидкости как мочевой кислоты, так и псевдокомпонента Nk.

Следует отметить, что при переходе от типа А к типу С (увеличении концентрации компонента Nk в диализной жидкости) изменяется уровень поглощения диализата в полосе поглощения мочевой кислоты, хотя концентрация мочевой кислоты сохраняется неизменной. Это обстоятельство доказывает, что определении 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 280300 нм и в области минимума полос поглощения 250270 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. Они излучают в узкой спектральной области, компактны, недороги. 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» при использовании проточных кювет позволяет решить следующие задачи:

- определить концентрацию мочевой кислоты в диализной жидкости в процессе гемодиализа реальном масштабе времени;

- определить спектральное поглощение диализной жидкости на двух длинах волн;

- определить, при необходимости, концентрацию псевдокомпонента Nk (в относительных единицах);

- реализовать мониторинг процедуры гемодиализа в режиме «on-line»;

- количественно оценить скорость изменения концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате;

- определить количество мочевой кислоты, выводимой из организма пациента с момента начала сеанса гемодиализа в реальном масштабе времени.

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.

Отметим, что вклад второго неидентифицированного компонента в поглощение диализной жидкости на длине волны 290 нм достигает 25%. Расхождение результатов расчета концентрации мочевой кислоты по предлагаемому устройству с данными биохимических исследований не превосходит 12%.

Подписи к рисункам:

Фиг.1. Устройство мониторинга процесса гемодиализа содержит: источник излучения 1, включающий два светодиода с максимумами спектра излучения на длинах волн 290 нм и 265 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 два фотоприемника для регистрации излучения светодиодов, прошедшего через кювету с диализатом; блок обработки сигналов с интерфейсом 5 и компьютер 6, оснащенный специализированным программным обеспечением.

Фиг.2. Спектральное поглощение основных составляющих пробы отработанного диализата в области длин волн 200350 нм. Спектр поглощения чистой диализной жидкости лежит в области 200210 нм, мочевины - 200220 нм, креатинина 200250 нм, мочевой кислоты 200350 нм, пул остальных компонентов (псевдокомпонент) 200350 нм.

Фиг.3. Спектральные характеристики растворов мочевой кислоты с концентрацией 0.05, 0.10, 0.15 и 0.20 ммоль/л: а - спектральное пропускание; б - спектральное поглощение.

Фиг.4. Спектральное поглощение диализата (проба на 15 мин. сеанса, больной К., тип кривой В) и спектры типа А и С, полученные путем изменения концентрации псевдокомпонента Nk в диализной жидкости.

Устройство мониторинга процесса гемодиализа, содержащее установленные последовательно источник излучения, оптическую систему формирования пучка, проточную кювету, приемник оптического излучения и блок обработки сигналов с интерфейсом, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется два светодиода, максимум спектра излучения одного из которых расположен в области длин волн 265 нм, другого - в области длин волн 290 нм, а в качестве приемника излучения используются два фотоприемника, области спектральной чувствительности которых перекрывают спектры излучения соответствующих светодиодов.