WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Российской Федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА А.В. БЕРДНИКОВ, М.В. СЕМКО, Ю.А. ШИРОКОВА МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ, АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И

КОМПЛЕКСЫ Часть I. "ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ" Учебное пособие Казань 2004 УДК 76.13.25;

681.2 А.В. Бердников, М.В. Семко, Ю.А. Широкова Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы. Часть I. Технические методы и аппараты для экспресс-диагностики: Учебное пособие / Казань: Изд-во Казан. гос.

техн. ун-та, 2004. 176 c.

ISBN Рассмотрены нестандартные диагностические методики, аппаратные и алгоритмические средства.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Биотех нические и медицинские аппараты и системы" при изучении дисциплин "Ме дицинские аппараты системы и комплексы" ОПД. Ф. 11 и "Узлы и элементы медицинской техники" СД.04.

Рецензенты: докт. техн. наук проф. И.И. Исмагилов Казанский институт (филиал РГТЭУ) докт. мед. наук, проф. Е.И.Сигал Казанская государственная медицинская академия, Клинический онкологический центр МЗ РТ Содержание Введение……………………………………………………………….. I Фотометрические методы в экспресс-диагностике ………………. 1.Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности приперитоните…………………………………………………… 1.1.Введение в проблему диагностики перитонита……………….. 1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операцион- ного поля в процессе санирования……………….…………………… 1.3. Методы и технические средства измерения отражения от различных объектов, в том числе биологической природы…. 1.3.1. Энергетические и светотехнические величины………… 1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового по- тока с исследуемой биофизической средой……………. 1.3.3. Отражение света……………………………………………. 1.3.4. Простая шероховатая поверхность……………………….. 1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измери- тельного устройства……………………………………………. 1.4.1. Типовые функциональные узлы фотометрических ИП…. 2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей………… 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов……. 2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм аг- регации эритроцитов…………………………………………… 2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов……………… 2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капил- ляре……………………………………………………………… 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов……………………………………………………. 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ………………………….. 2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в ди- намике………………………………………………………. 2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрега- ционных свойств клеток крови………………………………… 2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ……………. 2.6.2. Оценка агрегационных свойств крови при прямом микро- скопическом наблюдении………………………………….. 2.6.3.Фотометрические методы оценки агрегационных свойств крови…………………………………………………………. 2.7. Методы измерения реологических свойств крови…………….. 2.8. Клинико-диагностическое значение теста СОЭ………………. 3. Фотоплетизмография……………………………………………… 3.1. Введение в фотоплетизмографию…………………………….. 3.2. Расчет параметров оптической части фотоплетизмографа…. 3.2.1. Расчет геометрических размеров оптических схем ……. 3.2.2. Расчет коэффициента сбора энергии лучистого потока, отраженного от ткани пищевода………………………………………. II Электро-контактные методы 1. Реоэнцефалография 1.1. Теоретические основы реоэнцефалографии. Особенности кровообращения в головном мозге………………………….. 1.2. Механизмы формирования реоэнцефалограммы…………… 1.3. Аспекты применения реоэнцефалографии для оценки моз- гового кровообращения……………………………………… 1.4. Информационная направленность реоэнцефалографии……. 1.5. Объективные показатели реоэнцефалограммы…………….. 1.6. Выбор способа снятия реоэнцефалограммы и применяемых при этом отведений…………………………………………… 2. Векторкардиография 2.1. Теоретические основы электро- и векторкардиографии……… 2.1.1. Биоэлектрические явления в сердечной мышце………….. 2.1.2. Дипольная концепция электрической активности сердца 2.1.3. Проводящая система сердца……………………………… 2.1.4. Понятие об электрической оси сердца…………………... 2.2. Основные принципы метода векторкардиографии………….. 2.2.1. Скалярное представление векторкардиограммы…………. 2.2.2. Векторное представление векторкардиограммы…………. 2.3. Применение метода линейного синтеза стандартных отведе- ний из ортогональных отведений векторкардиографии……… 2.3.1. Метод синтеза стандартных отведений из трех ортого- нальных……………………………………………………. 3. Искусственная вентиляция легких 3.1. Общие представления о дыхательной недостаточности……… 3.1.1. Механизмы компенсации острой дыхательной недоста- точности……………………………………………………. 3.1.2.Клинические признаки острой дыхательной недостаточ- ности………………………………………….. 3.2. Патофизиология искусственной и вспомогательной вентиля- ции легких……………………………………………………… 3.2.1. Электрическая стимуляция диафрагмального дыхания… 3.2.2. Методика проведения чрескожной электрической сти- муляции диафрагмального дыхания…………………….. 3.3. Электростимулятор дыхания ЭСД-2П………………………… 3.4. Использование реографических методов для оценки интен- сивности дыхания………………………………………………. III Электрохимические методы 1. Определение показателя кислотности в желудке и двенадца- типерстной кишке…………………………………………………… 1.1. Постановка проблемы измерения рН……………………….. 1.2. От истории к современным исследованиям ЖКТ…………. 1.3. Аппаратура для исследования КФЖ методом электромет- рической рН-метрии (рН-зондирование)…………………… 1.3.1. Показания и противопоказания при зондировании……….. 1.3.2. pН - метрические зонды…………………………………….. 1.4. Регистрирующие приборы для рН-метрии…………………. 2. Гемодиализатор 2.1. Анализ проблем и задач при проектировании аппарата для проведения гемодиализа…………………………………….. 2.1.1. Исследование объекта лечения……………………………… 2.1.2. Основные заболевания почек………………………………... 2.2. Методы искусственного очищения крови. ………………… 2.3. Классификация методов экстракорпоральной детоксика- ции…………………………………………………………….. 2.3.1. Методы экстракорпоральной детоксикации……………….. 2.4. Аппарат “Исскуственная почка” для проведения гемодиа- лиза……………………………………………………………. 2.5. Методы и средства гемодиализного биомониторинга…….. 2.5.1. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств…. 2.5.2. Типы биосенсоров мочевины……………………………. 3. Газовый анализатор 3.1. Исследование физико-химического состава содержимого брюшной полости……………………………………………. 3.2. Обзор принципов и схем обработки данных………………. 3.3. Выбор типов первичных преобразователей……………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………. ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….. Введение Процесс подготовки творчески мыслящего инженера, связанного с об ластью биомедицинского электронного приборостроения, невозможен без воспитания и развития у него в студенческие годы интереса к самостоя тельной исследовательской деятельности. Именно поэтому в последние годы во всех руководящих документах высших учебных заведений ей уделяется особое внимание.

С самостоятельной исследовательской работой студент сталкивается в различных формах обучения, однако, наибольшее влияние на формирование навыков самостоятельной работы оказывают курсовое и дипломное проекти рование. Это объясняется тем, что именно при выполнении задания на про ектирование ему впервые приходится заниматься теоретическими и экспе риментальными исследованиями порой по новой для него тематике.

В этой связи особую актуальность и значимость приобретают выпус каемые тематические учебные пособия, охватывающие различные области знаний в соответствии с требованиями ГОС на специальность т.к. на сего дняшний день невозможно представить медицину без применения электрон ной медицинской диагностической аппаратуры. Одной из основных задач медицинского контроля за состоянием человека является диагностика со стояния здоровья с целью выявления патологических процессов, наличие инфекций в организме, предрасположенность к патологиям и прогнозирова ние их развития. Специалисты, а особенно студенты медико-инженерных специальностей испытывают недостаток в технической литературе, в кото рой последовательно раскрыты этапы проектирования диагностического оборудования. В помощь студентам предлагается данное учебно методическое пособие. Оно составлено на основании опыта, накопленного авторским коллективом при руководстве и выполнении дипломного проек тирования.

Основное внимание в пособии уделено области диагностических ме тодик, базирующихся на уникальных медицинских приборах, нестандартном лабораторном и диагностическом оборудовании. Это обусловлено специфи кой реальных тематик и задач, предлагаемых медицинскими лечебными учреждениями г. Казани и РТ. и РФ в рамках совместной научной деятель ности.

В первом разделе учебного пособия рассмотрен ряд фотометрических и спектрофотометрических устройств, применяемых в хирургических диагно стических и лабораторных исследованиях. В первой главе представлен фото метрический анализатор, который позволяет определить состояние брюшной стенки и санирующей жидкости при перитоните, даны основные методы и средства измерения диффузного и зеркального отражения различных объек тов, в том числе и биологической природы. Представлена структурная схема устройства. В рамках главы "Фотометрия в оценке гемореологических пока зателей" рассмотрены основные реологические свойства крови и математи ческая модель седиментации эритроцитов в капилляре, различные лабора торные способы исследования СОЭ, в том числе экспресс-методы и функ циональные схемы соответствующих устройств.

Динамику восстановления кровотока и перистальтической деятельно сти в послеоперационном периоде предложено оценивать по фотоплетиз мографической методике. В главе проводится оптимизация параметров оп тической части фотоплетизмографа.

Второй раздел посвящен электро-контактным методам. В нем анализи руются методики реоэнцефалографии, механизмы формирования реоэнце фалограммы;

основные принципы метода вектокардиографии, применение метода линейного синтеза стандартных отведений из ортогональных отведе ний векторкардиографии. Проводится исследование патоморфологии ис кусственной и вспомогательной вентиляции легких, а также представлен ма териал по использованию реографических методов для оценки интенсивно сти дыхания, а также методика проведения электрической стимуляции диа фрагмального отдела.

В третьем разделе описаны электрохимические методы, частности рас смотрены методика измерения кислотности желудочного содержимого при проведении ФГДС, методическое и аппаратное обеспечение для гемодиализа и измерения концентрации мочевины, а также новая область аппаратуры для лапароскопической хирургии - приборы анализа состава газа, находящегося в брюшной полости. Исследованиями показано, что наличие ряда газов в рюшной полости, таких как метан, изобутан, этанол, сероводород, аммиак, а также паров ацетона в микро концентрациях и различных сочетаниях свиде тельствует о развитии в полости патологических процессов различной при роды и может быть рассмотрено в качестве дополнительного источника ди агностической информации.

Учебное пособие органически дополняет лекционный материал и даёт возможность студенту проявить индивидуальность в подходах к самостоя тельному решению поставленных задач.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по спе циальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и занимающихся изучением и разработкой медицинского диагностического оборудования.

I. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКЕ 1. Фотометрический анализатор состояния брюшной поверхности при перитоните 1.1. Введение в проблему дигностики перитонита Несмотря на прогресс в развитии анестезиологии и реаниматологии, по стоянное расширение возможностей лекарственной терапии и совершенство вание техники оперативного вмешательства, перитонит остается основной причиной летальных исходов у больных хирургического профиля. Леталь ность при распространенном гнойном воспалении брюшины колеблется, по данным отечественных и зарубежных авторов, от 20 до 50%, а при послеопе рационном перитоните достигает 45—92,8% и не имеет тенденции к сниже нию.

Современная терапия не всегда приносит желаемый результат, так как она часто не может купировать воспалительный процесс в брюшной полости.

Среди умерших больных с острым перитонитом чаще всего причиной смерти является тяжелая интоксикация, обусловленная продолжающимся воспале нием брюшины. Во многом течение и исход гнойного перитонита определя ются санацией брюшной полости во время операции и в послеоперационном периоде. Не меньшее значение в лечении перитонита придается методам вы ведения токсинов из организма, поскольку после устранения источника пе ритонита воспаление брюшины сразу не обрывается и длительное время ос тается очагом токсического влияния на организм.

Перитонит — заболевание вторичное, осложняющее течение острых воспалительных хирургических заболеваний органов брюшной полости, проникающие ранения живота, закрытые повреждения внутренних органов.

Среди острых заболеваний органов брюшной полости, явившихся при чиной перитонита, острый аппендицит имел место в 39% случаев. Часто вы являлись такие заболевания, как острый холецистит, острый панкреатит, гнойные гинекологические заболевания, перфоративная язва желудка и две надцатиперстной кишки, травматические повреждения органов брюшной по лости, злокачественные опухоли с перфорацией органов и т. д. (табл. 1.1.).

В структуре нозологических форм заболевания у больных с ограничен ными формами перитонита преобладали острый аппендицит, острый холеци стит, гинекологическая патология.

Общеизвестно, что никакой другой показатель, кроме показателя позд ней госпитализации, не играет решающей роли в развитии перитонита, его распространенности и запущенности.

Таблица 1.1.

Распределение больных в зависимости от формы заболевания и распространенности перитонита Нозологическая форма за- Всего больных Ограниченный Распространен болевания перитонитом перитонит ный перитонит Абс. % абс. % абс. % Острый аппендицит 714 39,0 585 31,9 129 7, Ущемленная грыжа 92 5,0 13 0,7 79 4, Прободная язва желудка и 162 8,9 8 0,4 154 8, двенадцатиперстной кишки Острый холецистит 210 11,5 111 6,2 99 5, Острый панкреатит 65 3,6 28 1,5 37 2, Острая кишечная непрохо 97 5,3 26 1,4 71 3, димость Перфоративная опухоль же 65 3,6 7 0,4 58 3, лудка и кишечника Гинекологическая патоло 161 8,8 115 6,3 46 2, гия Травма органов живота 108 5,9 50 2,7 58 3, Послеоперационный пери 155 8,4 9 0,5 146 7, тонит Всего 1829 100 952 52,1 877 47, Классификация перитонита на протяжении многих лет претерпела до вольно много корректив. С выделением фаз развития эндогенной интоксика ции представляется оправданным выделение клинических особенностей и отличительных признаков перехода от менее тяжелого к более тяжелому ее течению при развитии перитонита.

Очевидно, что классификация перитонита должна основываться на сле дующих критериях:

1) источник перитонита;

2) характер перитонита;

3) распространенность перитонита;

4) стадия заболевания, тесно связанная со сроком от начала заболева ния.

Представленная классификация перитонита требует несколько иного подхода к выявлению источника перитонита, особенно у больных с острыми заболеваниями органов брюшной полости.

Характер экссудата. В большинстве известных вариантов клас сификации перитонита характер экссудата при перитоните не описан. Мно голетние наблюдения за больными, анализ статистического материала дают основание утверждать, что гнойный перитонит протекает менее тяжело, чем каловый или смешанный. Если при гнойном перитоните решающим факто ром для благоприятного прогноза является срок начатого лечения, то при ка ловом или смешанном перитоните даже рано начатое лечение не гарантирует от многочисленных осложнений и летального исхода.

Распространенность перитонита определяет течение и исход острых абдоминальных заболеваний. Для ограниченного перитонита характерны вы раженные воспалительные изменения висцеральной и париетальной брюши ны в пределах одной анатомической области брюшной полости. Для распро страненного перитонита типично вовлечение в воспалительный процесс всех анатомических этажей и органов брюшной полости, проникновение патоло гического экссудата в малодренируемые пространства верхнего этажа брюш ной полости.

До последнего времени выделяли три фазы острого перитонита: реак тивную, токсическую и терминальную. От степени компенсаторных возмож ностей в значительной мере зависит необходимость применения комплекс ной интенсивной терапии в пред- и послеоперационном периодах.

Для достижения этих целей выбрано цифровое деление стадий перито нита: I, II, III, IVA и IVБ. Клинически выделенные стадии характеризуются определенными признаками.

Стадия I перитонита (первые 6—8 ч) отличается тем, что при перитони те любого характера возможно относительно безопасное наложение анасто мозов. Она характеризуется выраженными болевым синдромом, дисфагией, слабовыраженным парезом, температурной реакцией соответственно объему деструкции в брюшной полости, высоким лейкоцитозом (в среднем 12,8•109/л), небольшим отклонением лейкоцитарного индекса интоксика ции(ЛИИ) (в среднем 2,4), соответствует эндогенной интоксикации 1 степе ни.

Стадия II острого перитонита (8—24 ч) —это период, который можно охарактеризовать как стадию мнимого благополучия, когда стихают острота и интенсивность болевого синдрома: нарастают признаки интоксикации, проявляющиеся бледностью кожных покровов, эйфорией, тахикардией свы ше 100 в минуту, стабильно высокой температурой, нарастающим парезом кишечника (перистальтические волны характеризуются резким резонансом);

остается высокий лейкоцитоз (в среднем 15,6•109/л), выражены ЛИИ (4,5), увеличение СОЭ до 20—28 мм/ч;

соответствует эндогенной интоксикации II степени.

Стадия III острого перитонита (24—48 ч) — это стадия эндотоксическо го шока и развития полиорганной недостаточности, характеризующаяся на ряду с приведенными симптомами преходящим психозом, нестабильной ге модинамикой, одышкой, рвотой застойной жидкостью, стойким парезом ки шечника, невысоким лейкоцитозом (в среднем 9•109/л);

соответствует эндо генной интоксикации III степени.

Стадия IV острого перитонита (48—96 ч) — это стадия про грессирующей полиорганной недостаточности.

СТАДИЯ IVA (48—72 ч) — это стадия компенсации, для которой харак терны: иктеричность кожных покровов и склер, психоз, низкие показатели гемодинамики, одышка, понос.

Стадия IVБ (72—96 ч) — стадия декомпенсации: клинические симпто мы те же, что и в стадии IVA.

Источник перитонита Нозологическая форма заболевания 1.Острые воспалительные заболевания органов брюшной полости 2. Травма органов брюшной полости и забрюшинного пространства 3. Послеоперационные осложнения 4. Неустановленный источник Характер экссудата 1. Гнойный 2. Желчный 3. Каловый 4. Смешанный Распространенность перитонита Ограниченный Распространенный Стадии перитонита I II III IV А Б Рис.1.1. Клиническая классификация перитонита (схема) Выделение этих стадий несколько условно в тех случаях, когда они рас сматриваются изолированно от других признаков классификации острого пе ритонита. Клиническая практика убеждает, что даже при ограниченном пе ритоните могут развиться поздние стадии острого перитонита. На рис.1.1.

приведена схема предложенной классификации.

Раскрытие многих сторон патогенеза перитонита, включая эндогенную интоксикацию, убедило хирургов в необходимости применения комплексной терапии этого заболевания. Принципы комплексного лечения перитонита были сформулированы в 1981 г. Стручковым В. И.

Экстренная хирургическая операция:

1) удаление источника перитонита;

2) ограничение его тампонами, если затруднительно его удаление;

3) дренирование источника перитонита по следующим показаниям:

а) неудаленный очаг;

б) переход гнойно-некротического процесса на забрюшинную клетчатку;

в) кровоостанавливающий тампон при диффузном капиллярном кровотечении.

Разработка и совершенствование техники хирургических вме шательств, наложения кишечных анастомозов, оснащение аппаратурой для активного удаления экссудата, дренирования кишечника, совершенствование конструкции зондов и других приспособлений.

Борьба с интоксикацией — уменьшение поступления в кровеное русло токсинов, их разведение, разрушение, адсорбция и выведение.

Воздействие на микрофлору с использованием антибактериальных и физических средств. Разработка и внедрение в практику методов ускорен ной бактериологической диагностики и контроля эффективности антибакте риальной терапии.

Восстановление нарушенных функций жизненно важных органов и систем. Проблема лечения запущенных ограниченных и распространенных форм перитонита остается ведущей в хирургии. Изучение особенностей те чения перитонита, эндогенной интоксикации и других факторов, влияющих на исход этой патологии, несколько изменило взгляд на задачи комплексного лечения перитонита. Во-первых, изменился критерий «экстренности» опера ций при перитоните: на первый план выдвинута необходимость адекватной предоперационной подготовки. Во-вторых, открылись новые перспективы в применении хирургической коррекции перитонита за счет различных вари антов лапаростомии. В-третьих, постоянно совершенствуются и расширяют ся показания к комплексной внеорганной детоксикации. В-четвертых, наме тились и продолжают совершенствоваться оптимальные пути антибактери альной терапии.

Оставив прежними основные принципы лечения больных перитонитом, можно сформулировать следующим образом задачи современной комплекс ной терапии:

1) экстренная адекватная предоперационная подготовка до стабилизации гемодинамики и ликвидации или уменьшения сгущения крови, разгруз ка верхних отделов желудочно-кишечного тракта (срок предоперацион ной подготовки может продолжаться до 2—3 ч);

2) операция, направленная на ликвидацию источника перитонита, профи лактику его прогрессирования и адекватное дренирование брюшной по лости;

3) совершенствование методов послеоперационной санации брюшной по лости и профилактика хирургических осложнений, комплексное приме нение методов внеорганной детоксикации;

4) комбинированная антибактериальная терапия;

5) коррекция гомеостаза, иммунных нарушений и восстановление функ ции кишечника.

В комплексе меняющихся задач лечения больных перитонитом разраба тываются основные принципы рациональной терапии на каждом этапе лече ния.

1.2. Динамика изменения физико-оптических свойств операционного поля в процессе санирования Принципиальное отношение к выбору способа санации брюшной полос ти при различных формах перитонита определяется необходимостью сниже ния степени эндогенной интоксикации. Результаты микробиологических ис следований свидетельствуют о существенном влиянии различных способов дренирования и санации брюшной полости на течение одного из компонен тов эндогенной интоксикации. Однако токсическое влияние перитонеального экссудата в значительной степени зависит от скорости его эвакуации из брюшной полости. Для изучения влияния различных способов дренирования брюшной полости на динамику показателей степени эндогенной интоксика ции сравнивали две группы больных: с активным дренированием брюшной полости и с активным дренированием и этапными санациями. Исходный уровень показателей свидетельствует о тяжелой степени эндогенной инток сикации у больных 1-й и 2-й групп. В дальнейшем на 3—4-е сутки лечения при активном дренировании брюшной полости имеется минимальная дина мика — уменьшение показателей протеолитической и антитрипсической ак тивности крови. В большей степени эти изменения следует отнести не к не посредственному влиянию способа дренирования, а к проводимой инфузи онно-трансфузионной терапии. На 5—7-е сутки лечения отмечено более вы раженное снижение в крови больных числа средних молекул — почти в раза по сравнению с исходными показателями, уменьшение количества нек ротических тел до 37,1±0,8 ед./мл, снижение показателя циркулирующих иммунных комплексов крови до 74,2±0,04 усл.ед., протеолитической актив ности крови в 2 раза по сравнению с исходными показателями [4,7±0, мкг/(мл-ч)];

однако почти не менялся показатель антитрипсической активно сти крови, который достигал 3,13±0,01 мг/мл.

При активном дренировании брюшной полости и этапных санациях в процессе лечения распространенного перитонита прослежено более быстрое изменение показателей токсичности крови. В частности, на 3—4-е сутки ле чения в 2 раза снижались показатели протеолитической и антитрипсической активности крови больных—4,1±0,3 мкг/(мл-ч) и 2,7±0,02 мг/мл соответст венно. При снижении активности распада полинуклеопротеидов, дости гающих в крови в 2 раза меньшего уровня, чем в начальном периоде заболе вания (38,6±0,06 ед./мл), оставался активным процесс агрессивного воздейст вия протеиназ на белковые структуры организма, в результате чего наблю дался высокий уровень средних молекул (0,691±0,002 усл. ед.).

Только на 5—7-е сутки лечения в результате этапных санаций брюшной полости отмечено существенное, статистически достоверное изменение всех регистрируемых показателей крови, однако при этом только показатели про теолитической и антитрипсической активности крови пришли к исходному нормальному уровню.

Таким образом, различные способы дренирования брюшной полости, оказывая существенное влияние на течение микробного компонента эндо генной интоксикации, не в полной мере могут менять ее биохимический компонент. В ходе этапных санаций удалось достаточно быстро повлиять на снижение протеолитической и антитрипсической активности крови, на уро вень распада полинуклеопротеидов и в меньшей степени — на степень ката болических процессов в печени при наличии патологических иммунных комплексов и аминокислот. Выявленные при лапаростомии данные свиде тельствовуют о том, что париетальная и висцеральная брюшина в различной степени реагировали на раздражитель. При этом важное значение имела рас пространенность воспаления. При проведении цитологических исследований мазков-отпечатков с брюшины при лапаростомии или из отделяемого брюш ной полости в 1—2-е сутки после операции в мазках наблюдалась выражен ная микробная обсемененность за счет ассоциаций микрофлоры. Несмотря на проводимую активную санацию брюшной полости, характер воспали тельной реакции мало отличался и незначительно зависел от особенностей дренирования брюшной полости. Тяжесть течения эндогенной интоксикации сопровождалась высоким исходным уровнем некроза, дистрофией нейтро филов при применении неподвижных дренажей. Этапная санация способст вовала более быстрому удалению патологических клеточных элементов, но такие показатели, как некроз и дистрофия нейтрофилов, незначительно от личались от показателей у больных 1-й группы. Между клеточными элемен тами, в микро- и макрофагах содержалась в большом количестве кокковая флора. Характерна картина незавершенного фагоцитоза стафилококков при низком содержании мононуклеарных элементов, при этом полностью от сутствовала фибробластическая реакция, а число макрофагов в обеих груп пах не превышало 1,4±0,2%.

В мазках наряду с нормальными лейкоцитами выявлялись нейтрофилы с клеточным цитолизом, отмечено дегранулирование нейтрофилов, выпадение гранул за пределы клетки, распад имеющейся кокковой микрофлоры проис ходил вне нейтрофила.

Таким образом, все существующие современные способы применения неподвижных дренажных систем могут дать ожидаемый эффект в ранних стадиях острого перитонита. Применение неподвижных дренажных систем при запущенных перитонитах, начиная с периода образования в брюшной полости фибрина, должно сопровождаться дополнительным лечебным воз действием для предотвращения инфильтративно-спаечного процесса. В этом случае значительное положительное влияние на регенеративный процесс в брюшине оказывают активные дренирующие системы и этапные санации.

Таким образом, активная санация брюшной полости, позволяет эвакуиро вать большое количество экссудата и быстрее удалять микрофлору.

Проследить динамику изменений брюшины и внутренних органов пред ставляется возможным в зависимости от стадии заболевания. При разлитом перитоните морфологические изменения быстро нарастают и коррелируют со стадией процесса. Это отчетливо выделяется уже в реактивной стадии забо левания, в которой выделяется 2 фазы: раннюю – до 12 ч и позднюю – свы ше 12 ч. В ранней фазе реактивной стадии обычно наблюдается серозно фибринозный перитонит. Макроскопически в этот период брюшина тусклая, гиперемированная, с умеренным количеством фибринозных наложений. При микроскопическом исследовании обнаруживается отек брюшины, особенно глубокого слоя эластических и коллагеновых волокон. В этом слое нередко выявляются очаговые кровоизлияния, отдельные нейтрофильные лейкоциты (НЛ).

В реактивной стадии разлитого перитонита развивается серозно фибринозное воспаление брюшины с характерными резкими нарушениями микроциркуляции в виде стаза, ритроцитарных агрегатов и тромбов в сосу дах микроциркуляторного русла. Наблюдается отек брюшины, образование на ней фибринозной пленки, умеренная лейкоцитарная инфильтрация, не большое число макрофагов и лимфоцитов. При этом фагоцитоз бактерий вы ражен незначительно.

Для токсической стадии острого разлитого перитонита характерны сле дующие признаки: гнойно-фибринозный экссудат, нарастание интоксикации, прогрессирующее нарушение микроциркуляции не только в брюшине, но и во внутренних органах, включение в воспалительный процесс иммунных ре акций, усиление лейкоцитарно-макрофагальной инфилтрации брюшины, по явление в крови и в инфильтрате значительного числа дистрофически изме ненных НЛ с ослабленными защитными свойствами, нарастание количества микробов в брюшине и экссудате при снижении фагоцитарной функции НЛ и макрофагов.

Морфология терминальной стадии острого разлитого перитонита харак теризуется гнойно-фибринозным воспалением брюшины с выраженным нек ротическим компонентом, гнойными тромбофлебитами и тромбоартериита ми микрососудов брюшины и тяжелыми нарушениями микроциркуляции во внутренних органах, выраженными дистрофическими и некробиотическими изменениями НЛ. Особенно поражены патологическим процессом сердце, печень, почки, а также вся система микроциркуляции.

В зависимости от стадии перитонита брюшная стенка постоянно меняет свой вид, в том числе меняется и цвет. Цвет брюшины меняется от серовато желтого до синюшно-красного оттенка (табл. 1.2).

Динамика изменения цвета брюшной стенки в зависимости о патологии Таблица 1.2.

Фаза перито- Вид экс- Цвет брюшины нита судата 1 фаза (1 су- Серозно- Тусклая, гиперемированная, отечная, уме тки) реактив- фиброзный ренное количество фибринозных наложений, ная стадия экссудат цвет серовато-желтого оттенка 2 фаза (2-3 Гнойно- Брюшина отечного красного цвета, на по сутки), токси- фиброзный верхности видны грубые гнойно-фиброзные ческая стадия экссудат наложения 3 фаза (4-7 Гнойно- Брюшина тусклая, грязно-серого цвета, с сутки), терми- фибриноз- множеством кровоизлияний. Сероватые уча нальная стадия ный экссу- стки чередуются с синюшно-красными, ино дат (до 2 гда с серовато-красными очагами.

литров) Таким образом, при перитоните в экссудате брюшной полости присут ствует микрофлора и ряд клеток: мезотелиальные, лимфоциты, ретикулярные клетки, плазматические клетки и миелоидные элементы. Наличие микрофло ры в экссудате брюшной полости незначительно влияет на оптические пара метры санирующей жидкости, что затрудняет ее обнаружение при помощи оптических методов исследования. В свою очередь клетки легко обнаружи ваются в санирующей жидкости при помощи оптических методов исследова ния, где они присутствуют как во взвешенном, так и в растворенном состоя нии. Клетки, растворяясь в жидкости, окрашивают ее, преимущественно, в красный цвет.

При патологических изменениях в брюшной полости, что имеет место при перитоните, брюшина в начале воспалительного процесса теряет естест венное строение и вид становиться тусклой, на ней появляются налеты фиб рина, мелкие кровоизлияния;

на 5-7-й день брюшина приобретает вид об ширной раневой поверхности. Такие изменения можно подтвердить при по мощи оптических методов исследования.

1.3. Методы и технические средства измерения диффузного и зер кального отражения различных объектов, в том числе биологической природы Информацию об окружающей среде человек получает главным образом через зрительные восприятия, источником которых служит свет, отраженный или рассеянный материальными телами. Отражение света, как правило, про исходит на поверхности тел, поэтому качество и количество отраженного света определяется свойствами поверхности. Белая поверхность отражает одинаково хорошо лучи всего видимого спектра, тогда как черная их почти не отражает. Можно различать множество поверхностей, которые обладают тем или иным цветом, при этом отражается только какая-то часть лучей ви димого спектра, а другая часть поглощается.

1.3.1. Энергетические и светотехнические величины Фотометрией называют раздел физической оптики, охватывающий тео рию и приемы исследования интенсивности лучистых потоков.

Приборы, служащие для измерения лучистой мощности, носят название фотометров.

Лучистая энергия — это энергия совокупности распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. В современной физике лучистую энергию рассматривают как поток материальных частиц, обладающих одно временно волновыми и квантовыми свойствами. Волновые свойства обу словлены тем, что лучистая энергия представляет собой электромагнитные волны. Квантовые свойства характеризуются изменением лучистой энергии определенными порциями — квантами.

Светом называется тот вид электромагнитного излучения, который вы зывает зрительное ощущение.

Электромагнитная теория света установила единство физической приро ды всех видов излучений — единый электромагнитный спектр. Этот спектр с длинами волн от 1 • 10-11 до 3 • 1010 см условно разбили на отдельные области от гамма - лучей до низкочастотных колебаний (источниками последних яв ляются промышленные генераторы переменного тока).

Видимые лучи занимают в электромагнитном спектре самый узкий уча сток (от 380 до 780 нм).

Излучения так называемой оптической области спектра простираются от ультрафиолетовой области радиации (~ 1,0 нм) до инфракрасных излуче ний с длиной волны до 1 мм.

Всякое сложное излучение представляет собой совокупность монохро матических излучений. Монохроматическое излучение характеризуется дли ной волны или частотой и волновым числом.

Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением с =, (1.1) где с — фазовая скорость распространения излучения в вакууме, которая постоянна для монохроматических излучений всех частот;

0 — длина вол ны излучения в вакууме.

В любой другой среде длина волны зависит от показателя пре ломления среды п.

=. (1.2) n Показатель преломления п есть отношение фазовых скоростей распро странения излучения в вакууме и в данной среде:

c n =. (1.3) При прохождении излучения сквозь разные среды длина волны будет изменяться соответственно показателям преломления, но частота колебаний при этом окажется неизменной.

Лучистую энергию, переносимую в единицу времени, называют лучи стым потоком. Следовательно, лучистый поток есть мощность переноса лу чистой энергии.

Лучистый поток характеризуется спектральным составом, а лучистая энергия и связанные с ней величины — энергетическими и светотехнически ми единицами в зависимости от спектрального состава излучения и от осо бенностей приемника излучения.

Если приемник одинаково реагирует на лучистую энергию в широком участке спектра, то пользуются энергетическими величинами. Такой прием ник называется неселективным.

Если реакция приемника зависит от спектрального состава лучистой энергии, то его называют селективным, и в этом случае выбор единиц изме рения зависит от рабочего участка спектра.

1.3.2. Основные закономерности взаимодействия светового потока с исследуемой биофизической средой В основе принципа действия большинства оптических измерительных преобразователей (ОИП) лежит взаимодействие падающего света с иссле дуемой биологической средой (ИБС), в результате которого изменяются па раметры светового потока. В сложных полидисперсных гетерогенных рас творах ИБС эти изменения для разных компонентов различны, что и позво ляет получать информацию о наличии компонента, его количестве или соот ношении компонентов в растворе путем измерения параметров световых по токов, прошедших через ИБС или отраженных от нее.

При выборе принципов построения оптических измерительных преобра зователей (ИП) параметров БС необходимо учитывать ряд специфических особенностей ИБС, как объектов исследования:

1. Падающее на исследуемую БС оптическое излучение может оказать влияние на происходящий в ней процесс (нагревание, фотохимические реак ции). Это влияние связано с поглощением света, которое происходит в боль шинстве случаев избирательно. Поэтому при разработке оптических ИП не обходимо учитывать не только интенсивность падающего света, но и его спектральный состав, т.к. при разных спектрах излучения и даже при одном и том же световом потоке результат воздействия на ИБС и результат измере ния может быть различным.

2. Эффект воздействия света зависит от общего потока энергии излуче ния, падающего на ИБС со всех направлений. В связи с этим результат изме рений может существенно зависеть от рассеянного света (фона), создаваемо го другими источниками измерения или отражающей поверхностью ИБС.

3. При разработке оптических ИП для исследования полидисперсных БС необходимо учитывать отличие в поглощающих свойствах различных дис персных фаз, которые могут располагаться на пути распространения света и изменять спектр света, падающего на последующие слои жидкости.

4. При выборе принципа построения оптических ИП свойств и состава БС следует учитывать, что процесс измерительного преобразования сопро вождается фотохимическими и фотоабсорбционными процессами, а также электрическими эффектами. Для уменьшения или учета их влияния на ре зультат измерения необходимо применять специальные методические и ин струментальные методы и меры.

Анализ зависимостей, устанавливающих связь информативных парамет ров потока с исследуемыми свойствами и составом БС проведем на основе картины взаимодействия падающего светового потока на ИБС (рис. 1.2.).

Ф0 Исследуемая биоло- гическая среда Ф1 Ф Ф2 Ф l Рис. 1.2. Прохождение светового потока через оптически проницаемую исследуемую биологическую среду При прохождении светового потока через ИБС интенсивность излучения ослабляется в результате поглощения (абсорбции), отражения, рассеивания.

Процесс прохождения светового потока через ИБС может характеризоваться рядом коэффициентов:

зеркального отражения зерк = Ф2/Ф0, поглощения = Фп/Ф0, до = Ф1/Ф рассеянного (диффузионного) отражения, рассеянного (диффузионного) пропускания дп = Ф3/Ф1, направленного пропускания нп = Ф4/Ф0, где Ф0 – падающий на границу сред световой поток, Ф1 – световой поток диффузионного отражения, Ф2 – отраженный световой поток, Ф3 – световой поток диффузионного пропускания, Ф4 – световой поток направленного про пускания. При этом баланс световых потоков и характеризующих их коэф фициентов определяется выражениями:

Ф0 = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Фп, (1.4) зерк + до + нп + дп + п = 1. (1.5) В большинстве случаев одна из составляющих светового потока отсут ствует. Например, для прозрачных сред принято исключать Ф1 и Ф3, а для сильно поглощающих сред - Ф3 и Ф4.

Поглощение и рассеяние светового потока происходит практически все гда избирательно. Поэтому количественная характеристика поглощения оп ределяется при использовании монохроматического оптического излучения или излучения со строго фиксированным спектральным составом излучения.

В основе принципа действия абсорбционных спектрофотометров лежит закон Бугера - Ламберта:

Ф = Ф0 еxp(- кl), (1.6) где к - коэффициент погашения (экстинкции), l - толщина слоя ИБС, пересекаемая световым потоком.

Если учесть отражение светового потока на границах ИБЖ, то выраже ние примет вид:

Ф = (1 - )2Ф0 ехр(- кl), (1.7) где - коэффициент отражения. Поправка на отражение может достиг нуть порядка десяти процентов.

Закон Бугера - Ламберта можно записать в других формах:

ln (Ф0/Ф) = кl или (1.8) lg (Ф0/Ф) = к`l, (1.9) где к` = к / 2,303 - коэффициент погашения.

Этот закон выполняется с высокой степенью точности для большинства веществ при изменении освещенности до 1020, а для флуоресцирующих и фосфоресцирующих веществ закон нарушается. Это приводит к необходимо сти в лабораторной практике учитывать возможность влияния этих эффектов при исследовании жидкостей, содержащих фотолюминесцирующие пигмен ты.

При изучении поглощения света растворами было установлено, что ко эффициент поглощения пропорционален концентрации с поглощающего ве щества:

к`= сЕ, (1.10) где Е- молекулярный коэффициент погашения, зависящий от свойств отдельной молекулы исследуемого вещества.

Если в выражение (1.7) подставить зависимость (1.10), то основной за кон абсорбционной фотометрии примет вид:

Ф = Ф0 10 -сЕl или (1.11) lg (Ф0/Ф) = сЕl = D, где с - концентрация, моль / г, D - оптическая плотность.

D = lg (1/ ) = -lg( ), (1.12) где - коэффициент пропускания.

Этот параметр широко используется в фотометрии. Это обусловлено тем, что непосредственно определить поглощенный поток не удается, потому что регистрируют световой поток, прошедший через исследуемую БС. При этом определяют коэффициент пропускания или оптическую плотность:

D = -lg, где (1.13) = Ф/ Ф0, Фп - поток, прошедший через исследуемую БС, Ф0- падающий поток.

Важнейшим свойством при использовании абсорбционных измерителей является аддитивность величины D, которая позволяет при исследовании БС, представляющих смесь «n» химически не реагирующих между собой веществ, записать:

n n lg (Ф0/Ф) = lg (Ф0/Фi) = Di, (1.14) i=1 i= где Фi - интенсивность светового потока, прошедшего через раствор i го компонента смеси, Di - величина оптической плотности i-го компонента раствора.

Приведенные выше зависимости справедливы для монохроматического излучения.

В случае использования полихроматического излучения, содержащего электромагнитные волны с длиной в диапазоне от 1 до 2, падающий лучистый поток Ф0 будет определяться:

0 = (), (1.15) а интегральный коэффициент пропускания:

= [ 0 ] / [ 0 ], (1.16) ()() () 1 где Ф0 () - спектральная характеристика излучения. Величина светового потока, прошедшего через слой вещества:

Ф = Ф0()ехр(- кl)d или (1.17) Ф = Ф0()10 – к`ld (1.18) Так как коэффициент погашения зависит от длины волны излучения, то коэффициент рассеяния будет равен:

2 0 = Ф0()()d / Ф0()d (1.19) 1 Аналитически выражения можно записать для коэффициентов отраже ния з() и поглощения ().

Следовательно, можно сделать вывод, что регистрируя значения 0(), (), () и 3(), которые различны для различных веществ, можно оцени вать наличие тех или иных веществ в растворе исследуемой БС.

1.3.3. Отражение света Отражением света называется явление, которое состоит в том, что свет, падающий на поверхность, разделяющую две оптические среды с различны ми показателями преломления, частично или полностью возвращается в сре ду, из которой он падает.

Характер отражения света от поверхности зависит от качества ее обра ботки, материала поверхности, температуры ее и углов падения света на по верхность.

Рис. 1.3. Три вида отражения На рис. 1.3. схематически показано распределение света при трех видах отражения.

Хорошо полированные поверхности дают зеркальное отражение. В этом случае угол падения лучей равен углу отражения (рис. 1.3, а).

Идеально рассеивающие матовые поверхности дают диффузное (рассе янное) отражение (рис. 1.3, в).

Промежуточным видом отражения является направленно-рассеянное от ражение, при котором максимум силы света совпадает с направлением зер кального отражения (рис. 1.3, б). При смешанном отражении наблюдаются одновременно свойства диффузного и направленного отражений. Отражение света от среды, оптически менее плотной, с полным возвращением в среду, из которой он падает, называется полным внутренним отражением.

При графическом изображении отраженного от тела или прошедшего через тело света концы радиус-векторов, изображающих силу света или яр кость образуют поверхность, которая называется фотометрической поверх ностью.

В результате сечения фотометрической поверхности плоскостью полу чается кривая линия, называемая фотометрической кривой, которая харак теризует распределение интенсивности в данной плоскости сечения.

Для характеристики распределения светового потока в пространстве (в случае рассеянного или полурассеянного отражения) пользуются понятием коэффициента яркости, под которым понимают отношение яркости L по верхности в данном направлении к яркости L0 идеально матовой белой по верхности при одинаковой освещенности:

L r =. (1.20) L Общий коэффициент отражения складывается из коэффициентов на правленного н и диффузного д отражений. Согласно определению он всегда меньше единицы. Коэффициент же яркости r может быть значительно боль ше единицы. Это иллюстрирует рис. 1.4, где окружность 1 изображает рас пределение удельной силы света, отраженного идеально рассеивающей по верхностью, а кривая 2 представляет собой кривую полурассеянного отраже ния от некоторой поверхности при той же освещенности.

Рис. 1.4. Распределение удельной силы света На рис. 1.4. коэффициенты яркости для направлений 0В и OD равны отно шению векторов, а именно:

ОВ ОС rОВ = и rОD =, ОА ОD где rОВ > 1, rОD < 1.

Коэффициенты яркости зависят от угла падения и поэтому они опреде ляются для случая нормального падения света.

Коэффициент отражения преломляющей поверхности зависит от угла i падения света на поверхность и от показателей преломления п и п' соприка сающихся сред.

По формуле Френеля можно подсчитать для естественного света:

1 sin2(i - i ) tg2(i - i ) =, (1.21) sin + 2 (i + i ) tg2(i + i ) где i и i — связаны соотношением n sin i == п' sin i'.

При нормальном падении света формула (1.21) имеет вид 1 (i - i ) =.

(i 2 + i ) При малых углах падения, когда in in, получим 1 (n - n ) =, (1.22) (n 2 + n ) Заметим, что коэффициент отражения на границе двух сред практически не зависит от того, с какой стороны падает свет на границу раздела. При рас четах отражения светового пучка от ряда поверхностей следует иметь в виду явление поляризации света при отражении, которое влияет на коэффициент отражения.

Ниже даны значения коэффициента направленного отражения для неко торых материалов при комнатной температуре.

Металл, осажденный на стекле путем испарения в вакууме:

серебро ………….….0, алюминий ……….….0, золото ………………0, медь …………………0, никель ………………0, хром ……………….. 0, Металл, гальванически нанесенный на металлический подслой:

серебро ……………..0,88—0, родий ……………….0, кадмий …………….. 0, хром ………………. 0, никель …………….. 0,55—0, молибден …………. 0, медь ……………….. 0, Значения коэффициентов диффузного рд отражения для некоторых ма териалов при комнатной температуре приведены ниже:

Углекислый магний............……. 0,97—0, Окись магния...............……….. 0, Окись цинка................... ……….. 0, Мел и гипс................……………. 0,85—0, Фарфор белый матовый.....…....... 0,80—0, Фаянс белый матовый.........…..... 0,50—0, Ватманская бумага...........……..... 0,76—0, Белая клеевая краска.......……..... 0,70—0, Розовая светлая краска.......….... 0,30—0, Красная краска (киноварь)............ 0,13—0, Желтая краска (хром)............……..0, Зеленая краска...............…………0, Синяя краска (кобальт).............. 0, Черный бархат...............…………. 0,06—0, В оптических системах применяют полированные зеркальные поверхно сти, которые покрыты тонким слоем металла, нанесенного путем его испаре ния в вакууме. Коэффициент отражения от металлических покрытий в случае нормального падения лучей определяется по формуле (n -1)2 + =, (1.23) (n +1)2 + где п — показатель преломления металла;

- показатель поглощения метал ла.

Потери света на отражение могут быть снижены путем просветления по верхностей. Просветлением называется процесс нанесения тонких пленок на поверхности оптических деталей с целью уменьшения отражения света от их поверхностей. В этих тонких пленках происходит явление интерференции.

Толщину пленки для однослойного просветления определяют по формуле (2K +1) d =, (1.24) 4nс где К — длина волны;

nс — показатель преломления пленки;

К = 0, 1, 2, 3 и т. д. Толщина пленки составляет около одной четверти длины волны света.

Показатель преломления пленки находят по формуле nс = n, (1.25) где п — показатель преломления стекла детали. Значимость просветления за ключается не только в том, что уменьшается потеря света на отражение, но и в том, что отраженные лучи в пленке в соответствии с законами интерферен ции гасят друг друга, тем самым уменьшая вредный рассеянный свет.

1.3.4. Простая шероховатая поверхность Шероховатая поверхность является сложным объектом, поэтому при разработке теории обычно принимают следующие упрощающие задачу предположения: 1) размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения;

2) радиус кривизны рас сеивающих элементов много больше длины волны;

3) затенение одних эле ментов другими отсутствует;

4) подсчитывается электромагнитное поле только в зоне Фраунгофера;

5) многократное отражение отсутствует;

6) плотность микронеровностей не рассматривается.

При исследовании живых организмом in vivo дополнительные трудности при получении объективных данных связаны с протеканием процессов жиз недеятельности в самом организме. Биологические ткани поглощают и рас сеивают лучистую энергию, однако принять рассеяние диффузным можно с определенными допущениями. Для того, чтобы рассмотреть динамику взаи модействия потока лучистой энергии с тканями тела, следует учитывать раз меры, плотность упаковки и форму. Например, для эритроцитов, на поверх ности которых в основном происходит рассеяние света, необходимо учиты вать их движение, изменение коэффициента преломления как внутри самой структуры форменных элементов крови, так и коэффициент преломления различных структур ткани и целый ряд других факторов. До настоящего вре мени не получены решения уравнений, описывающих распространение как направленного, так и диффузного излучения через структуры подобной сложности. Поэтому при рассмотрении распространения потока излучения через биологический объект принимают ряд допущений: структуру объекта считают однородной с некоторыми усредненными оптическими характери стиками, распределение эритроцитов в тканях равномерным, форма эритро цитов принимается за круглую, поток – неполяризованным, монохроматич ным или имеющим достаточно узкий спектральный состав.

Рассмотрим модель X. Дэвиса. Он ограничил свою модель шероховатой поверхности очень малыми и очень большими по сравнению с длиной волны микронеровностями. Кроме того, он считал, что локальные нормали к микро граням почти совпадают с нормалью к средней плоскости поверхности, т.е.

наклон микрограней очень мал.

Критерием для проверки правильности принятых моделей шероховатой поверхности, использованных Х. Дэвисом, может служить закон сохранения энергии. Полный коэффициент отражения от шероховатой поверхности за пишется так (, ) = s + (1.26) ic cosdr, где первый член s — коэффициент зеркального отражения, а второй — коэффициент диффузного отражения в полусфере.

Отклонение полного коэффициента отражения от единицы свидетельст вует о некорректности модели.

Коэффициент отражения в зеркальном направлении выражен формулой, определяемой теорией X. Дэвиса:

-( ) s = 0e, (1.27) где s —коэффициент зеркального отражения исследуемой шероховатой по верхности;

0 —такой же коэффициент гладкой поверхности образца из того же материала;

—среднеквадратическое отклонение от средней линии про филя;

— длина волны падающего излучения.

Для модели X. Дэвиса единица получается только в области очень малых шероховатостей ( / 0,04 ). При больших значениях / коэффициент от ражения превышает единицу и тем значительнее, чем больше отношение па раметров. Отсюда следует, что модель X. Дэвиса применима только к по верхностям, у которых размер шероховатостей весьма мал и рассеяние света незначительно. Иначе говоря, расчет по способу X. Дэвиса можно произво дить только для достаточно гладких поверхностей.

1.4. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного устройства Оптические ИП основаны на использовании оптоэлектронных преобра зователей и характеризуются большим разнообразием конструктивных и схемотехнических решений.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема фотометрического измерительного преобразователя: ИИ – источник излучения;

ФИ – фоновое излуче ние;

ОС1 – оптическая система введения излучения в измеритель ный канал;

ОС2 – оптическая система введения излучения в канал ОЭП;

ОЭП – оптоэлетронный преобразователь (приемник излуче ния и электронная схема его включения;

ИК - измерительная кюве та.

В общем случае оптические ИП можно представить как показано на рис.

2. Они включают ИИ, оптическую систему ОС1, позволяющую собрать лу чистую энергию ИИ и сформировать направленный пучок излучения на ИБС, а при необходимости промодулировать его по интенсивности, управлять спектральным составом и способностью выделять полезный сигнал на фоне сигнала от других излучателей. Кроме того в структуру оптических АИУ входит оптическая система ОС2, включающая элементы и устройства, необ ходимые для введения светового потока от ИБС (находящейся в кюветах, на предметных стеклах, барабанах с пробирками) в оптический канал приемни ка излучения, входящего в состав ОЭП. Взаимное расположение этих эле ментов ИП различно и определяется особенностями метода измерения и свойств ИБС. Поэтому конкретный состав функциональных узлов оптоэлек трического ИП неодинаков часто включает достаточно сложные устройства:

Оптические узлы: ОС1, конденсоры, модуляторы, фильтры и другие устройства могут входить в ИИ, а корректирующие оптические фильтры ОС - в состав ПИ. В современных оптических измерительных преобразователях ПИ может иметь несколько независимых каналов преобразования излучения в электрическом сигнале. Система фильтров позволяет согласовывать спек тральные характеристики ИИ и ПИ со спектральными характеристиками пропускания и отражения ИБС.

Для достижения заданных метрологических характеристик оптических ИП необходимо проводить как структурную, так и параметрическую оптими зацию его основных преобразователей в рамках системы ИСТОЧНИК ИЗ ЛУЧЕНИЯ - ИБС – ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. К основным преобразовате лям оптических ИП относится оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), в качестве которого в начале развития этого класса ИУ применялись электро вакуумные ОЭП, а затем полупроводниковые и др. ОЭП.

В основе принципа работы ОЭП нашли применение нескольких эффек тов: внешний фотоэффект (электроны отрываются от поверхностного слоя при его освещении), внутренний фотоэффект (образование свободных элек тронов в твердом теле). Существуют ОЭП, реагирующие на изменение ин тенсивности излучения, его спектрального состава (спектрально чувствительные ОЭП), а так же чувствительные к направлению излучения, то есть к направлению падения светового потока (позиционно-чувствительные ОЭП).

По области предпочтительной спектральной чувствительности ОЭП можно разделить на группы, работающие в различных областях спектра, по казанных в таблице 1.1.

Таблица 1.3.

Область спектра Длина волн,нм Видимая 800- Ультрафиолетовая 400- Короткая ультрафиолетовая 200- Вакуум –ультрафиолетовая < При разработке оптических ИП, предпочтительных для работы со свето выми потоками, характеризующимися низким уровнем интенсивности (лю минесцентный анализ), созданы ОЭП, в которых светочувствительный слой охлаждается до очень низкой температуры (до 20К и ниже). В общем случае Iф выходной ток ОЭП зависит от множества факторов:

o Iф = f (o,,T,U...), (1.27) o где - величина падающего потока;

- спектральный диапазон из лучения;

Т - абсолютная температура светочувствительного слоя ОЭП;

U - напряжение питания ОЭП.

Эта зависимость нелинейная. Кроме того, она изменяется со временем (временной дрейф). Это приводит к появлению погрешностей измерения.

Поэтому в процессе измерения одной из важнейших задач является стабили зация влияния основных внешних факторов: температуры, параметров ис точника питания и др. внешних условий, не связанных с измеряемым пара метром.

Одним из определяющих функциональных элементов в структуре опти ческих ИП является ОЭП. Среди его основных параметров и характеристик, являющихся принципиальными при разработке оптических ИП в первую очередь принято выделять.

Интегральная чувствительность ОЭП. Эта величина, обозначаемая иногда инт, численно равна отношению приращения одного из выходных данных информативных параметров ОЭП к вызвавшему его воздействию (световому потоку или освещенности).

() Спектральная чувствительность, характеризующая реакцию ОЭП для каждой длины волны оптического излучения.

Уровень собственных шумов.

Порог чувствительности - это минимальный световой поток, ко min торый способен вызвать на выходе ОЭП информативный сигнал, который находится в заданном отношении к уровню собственных шумов (отношения сигнал / шум).

Инерционность, оцениваемая постоянной времени переходного про цесса при скачкообразном изменении величины потока излучения.

Особое значение для ОЭП имеет оценка влияния собственных (внутрен них) шумов на процессе измерительного преобразования. Основными видами шумов для ОЭП являются: тепловые, вызываемые хаотическим тепловым движением электронов;

дробовые, определяемые тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, количество которых флуктуи рует во времени;

токовые шумы (1/ f - шум);

фотонные шумы, зависящие от флуктуации числа фотонов, падающих на светочувствительный слой ОЭП.

Общий уровень шума оценивается дисперсией шума iш, а при опреде лении отношения сигнал / шум используется среднеквадратическое значение шума, то есть:

Iф J =, (1.28) iш где Iф - значение выходного сигнала ОЭП, на уровне которого измеря ется шум.

В большинстве случаев при работе ОЭП в ОИП, дисперсия шумового сигнала зависит от величины информативного (полезного) сигнала. Это приводит к непостоянству отношения сигнал / шум в рабочем диапазоне из менения измеряемого светового потока. Поэтому принято разделять ОЭП на три группы по особенностям зависимости шума выходного сигнала от уровня полезного сигнала (УПС).

1. Шумы постоянны - то есть не зависят от УПС (возможно в случае iщ преобладания тепловых шумов): = const = k1.

2. Дисперсия шума изменяется пропорционально амплитуде полезного iщ сигнала (преобладает дробовый шум): = k2 Icр.

3. Дисперсия шума изменяется пропорционально квадрату амплитуды iщ k1, k2, k полезного сигнала: = k3 Icр (где - постоянные коэффициен ты).

Необходимо учитывать, что каждый из перечисленных видов шума за висит от ширины полосы f, в которой оценивается их дисперсия, поэтому отношение сигнал / шум, а следовательно и порог чувствительности ОЭП зависят от f.

В некоторых случаях для удобства сравнения различных типов ОЭП ис 2 io = iщ пользуют приведенное значение дисперсии: / f.

Функциональные свойства ОЭП описываются рядом характеристик та ких как: световая характеристика (люкс - амперная);

дифференциальная чув ствительность ОЭП;

частотная характеристика;

спектр мощности шумов;

температурная характеристика;

вольтовы характеристики;

зонные характери стики;

апертурные характеристики;

градационная характеристика ОЭП;

по рог контрастной чувствительности;

эксплутационные и конструктивные осо бенности ОЭП.

Световая характеристика (люкс амперная) представляет зависимость ве личины выходного тока от величины светового потока, строго определенного I = f () спектрального состава, (соответствующего спектру стандартного источника) - это энергетическая характеристика.

Одним из важнейших параметров ОЭП является дифференциальная чув ствительность ОЭП. Она определяется как:

Q=I/Ф (1.29) Она, как правило, отличается от чувствительности в рабочей точке:

Qр=Iр/Фр (1.30) Частотная характеристика, определяющая зависимость чувствительно сти QОЭП, от частоты модуляции оптического излучения: Qd=1(fм).

Спектр мощности шумов - зависимость, описывающая распределением iщ по частотам: = 2 ( f ) дисперсии шума.

Температурная характеристика, показывающая как изменяются различ ные параметры ОЭП (например, Q, шумы и др.) при изменении температуры чувствительного слоя.

Вольтовы характеристики, которые выражают зависимость таких пара метров приемников излучения как интегральная чувствительность, уровень шума и др., от питающего напряжения: Qimg= 3(UОЭП).

Апертурные характеристики, выражающие зависимость амплитуды вы ходного сигнала ОЭП от числа чередующихся черно-белых полос, наклады ваемых на поверхность светочувствительного слоя. Эта характеристика оп ределяет разрешающую способность ОЭП.

Градационная характеристика ОЭП, выражающая связь между контра стом регистрируемых сигналов и величиной перепада сигнала.

На основе световой характеристики, записываемой обычно в результате аппроксимации в виде:

Iф = k, (1.31) o где к - постоянный коэффициент, - показатель степени определяемой зависимости.

Электрический контраст определяется зависимостью:

K = Iф / Iф max, (1.32) э где Iф - перепад выходного сигнала, Iф max - максимальное значение сигнала.

Значение электрического контраста связано с контрастом по потоку:

K = o / omax, (1.33) n o где - перепад в падающем световом потоке, omax - максимальное значение потока.

Эта связь имеет вид:

K = 1- (1- K ) (1.34) э n Обычно K < 1, поэтому:

э K = K. (1.35) э n Как следует из последнего выражения при степенной характеристике функции преобразования ОЭП равным контрастом на входе ОЭП соответст вуют равные (пропорциональные) изменения электрического контраста ОЭП.

Порог контрастной чувствительности - равный величине контраста по потоку, при котором формируется перепад выходного сигнала, достаточный для регистрации отличия в величине светового потоков. Этот параметр зави сит от общей величины потока, на котором определяется перепад от контра стности тока.

Эксплутационные и конструктивные особенности ОЭП оценивают на бором таких параметров как: площадь и топология светочувствительного слоя;

оптические свойства с коэффициентами преломления и отражения, апертурный угол;

напряжения питания и способ его подведения;

температура светочувствительного слоя и средства ее стабилизации;

виброустойчивость, вибропрочность, ударная прочность и др. параметры, определяющие механи ческие, климатические, динамические условия эксплуатации и свойства ОЭП.

1.4.1. Типовые функциональные элементы фотометрических ИП Перечислим типы наиболее широко распространяемых ОЭП и их основ ные технические характеристики и параметры.

Первым важнейшим функциональным элементом оптических ИП явля ется источник излучения, используемый для воздействия (облучения) света на исследуемую пробу жидкости. Известно применение нескольких видов источников: ламп накаливания и светодиодов.

Лампы накаливания. К их достоинствам могут быть отнесены: деше визна, высокие эксплуатационные качества, легкость управления световым потоком, большой выбор. Лампы накаливания бывают непрерывного излуче ния, импульсного излучения, вакуумные, газонаполненные (соединение гало генов). В лабораторных оптических ИП широко применяются ксеноновые, дейтериевые ртутные лампы высокого давления.

Светодиоды - это элементы, в которых реализуется явление излуча тельной рекомбинации p-n - переходов. К их достоинствам могут быть отне сены: малые габариты, экономичность, высокий коэффициент преобразова ния мощности тока, проходящего через p-n - переход в видимое или инфра красное излучение до 50 %, достаточно высокая монохроматичность излуче ния, возможность электрической модуляция светового потока. Большой вы бор световодов, а так же фотодиодов позволяет разрабатывать оптические ИП, хорошо приспособленные к решению той или иной задачи путем созда ния специальных спектрально согласованных структур оптопар «светодиод - фотодиод». Оптопара может быть выполнена в едином конструктивном ис полнении, а их масса может составлять единицы граммов. Основными мате риалами для изготовления светодиодов служит арсенид и фосфид галлия, со единения типа GaJnP и GaAsP. В качестве ИИ могут использоваться ОКГ.

Излучение такого источника в значительной степени является монохромати ческим, когерентным, направленным и поляризованным, что делает приме нение этих ИИ весьма эффективным. Также применяются ИИ на основе ис крового разряда и электрической дуги.

Вторым важным элементом оптического ИП является оптический фильтр, являющийся практически обязательным. Иногда в процессе измере ний оптических характеристик ИБС используется несколько фильтров. Ос новной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика пропускания () и величина оптической плотности D.

По виду спектральной характеристики фильтры подразделяются на:

- полосовые, обеспечивающие пропускание в узком диапазоне длин волн и отсекающие излучение с длинами волн, не входящими в этот диапазон, - фильтры, пропускающие излучение с большей или меньшей, чем за данная, длинной волны.

Выбор фильтра существенно влияет на отношение сигнал/шум, полу чаемые на выходе оптических АИУ.

Другими требованиями, предъявляемыми к фильтрам, является механи ческая прочность, стабильность характеристик при разных условиях работы, технологичность изготовления.

Известно применение нескольких типов фильтров. Это - абсорбционные, интерференционные и нейтральные.

Абсорбционные отличает от остальных избирательность поглощения излучения. Они изготавливаются из твердых, жидких, газообразных избира тельно поглощающих сред. К ним относятся цветные стекла, окрашенный желатин, пластмассы, пленки германия, кремния, пары Cl2, Br2, щелочно - галоидные соли и другие материалы.

Для монохроматизации инфракрасных излучений нашли применение кристаллической пластинки из некоторых диэлектриков NaCl, кварц и др., а в длинноволновой инфракрасной области спектра в качестве отсекающих при меняются дифракционные решетки - эшелоты, действующие как регулярные, шероховатые поверхности.

Интерференционные фильтры основаны на явлении интерференции из лучения в пластинках и тонких пленках. Эти фильтры обладают очень узкой полосой пропускания - единицы нанометра (10-9). Такую полосу пропускания можно получить двумя путями. Первый - интерференцией двух поляризо ванных лучей (поляризационно-интерфереционные фильтры). Второй - мно голучевой интерференцией при многократных отражениях между параллель ными полупрозрачными зеркалами.

Из других способов реализации избирательного пропускания можно от метить так же использование эффекта полного внутреннего отражения и яв ления дисперсии излучения в веществе и окружающей среде. Интерференци онные фильтры широко применяются в спектрофотометрических приборах.

Нейтральные фильтры необходимы для ослабления или разделения по тока излучения без изменения спектрального состава. Они имеют, как прави ло, равномерную спектральную характеристику пропускания в рабочем для оптического ИП диапазоне длин волн и интегральный коэффициент пропус кания меньше 1.

Интерференционный фильтр не единственный функциональный элемент оптических ИП для формирования монохроматического излучения. В лабо раторных спектрофотометрах широко используются различные конструкции монохроматоров: зеркальные, решетчатые, призменные.

Среди других функциональных узлов оптических ИП наибольшее раз нообразие в принципах конструктивного построения имеют: прерыватели излучения, позволяющие реализовать процесс формирования импульсных потоков (вращающиеся диски, ячейки Керра и др.);

компенсаторы;

конденса торы;

линзы;

объективы и т.п.

Среди большого разнообразия оптических АИУ можно выделить: по ко личеству используемых кювет (одно- и двухканальные преобразователи);

по способу введения светового луча в ИБС (импульсные и непрерывные);

по способу создания импульсных потоков (с прерываниями или с импульсными источниками излучения);

по спектру падающего светового потока (с непре рывным (сплошным) спектром светового потока или со спектром светового потока имеющим разрывы в спектре (перепады) т.е. широких или узких);

по принципу временной засветки ИБС световым потоком в разных участках спектра (с последовательной во времени засветкой ИБС разными участками спектра оптического луча и с параллельной засветкой ИБС т.е. одновремен но во всех участках спектра луча);

по количеству одновременно неисполь зуемых фотоэлектрических преобразователей (с одним или с несколькими преобразователями ОЭП).

При разработке оптических ИП достаточно часто возникает задача по исключению "паразитной" засветки и потоков света, рассеиваемых деталями оптических элементов и узлов.

При решении этой задачи часто применяют концепцию так называемых световых замков, при реализации которых детали оптических ИП, а так же внутренние поверхности кюветных отделений ИП чернятся (воронением, электрохимически, окрашиванием). Большое число деталей оптических сис тем ИП (монохроматоров, компенсаторов и др.) требуют прецизионного ис полнения с привлечением высоких технологий, в том числе и технологий точной механики.

Одним из жестких требований при разработке и изготовлении кювет для ИЖ является требование плоскостности и параллельности их стенок, перпен дикулярных ходу лучей. Основными материалами при изготовлении кювет является кварц, обычное стекло, кварцевое стекло, плексиглас, полистирол и другие прозрачные для выбранной области спектра материалы.

Выводы:

Несмотря на широкие диагностические возможности фотометрических методов, техническое обеспечение исследований живого организма разрабо тано еще недостаточно. Совершенствование существующих и создание но вых методик, так необходимых для клинической практики, а также разработ ка новых дешевых приборов с высокими эксплуатационными характеристи ками возможны только при условии эффективного использования новейших научно-технических достижений и в первую очередь оптоэлектроники и ее элементной базы, микроэлектроники и волоконно-оптической техники.

Можно указать несколько перспективных направлений развития фотометри ческой техники для клинико-физиологических исследований.

1. Разработка упрощенных, недорогих и узкоспециализированных приборов для выполнения отдельных видов анализа. Это направление пред ставлено большой группой гемоглобинометров, оксиметров, сахариметров и др. При разработке таких приборов спектральный и динамический диапазон, чувствительность, точность и производительность выбираются с учетом спе цифики соответствующего исследования.

2. Разработка упрощенных многоцелевых приборов, рассчитанных на небольшое количество исследований или на работу в узком спектральном диапазоне.

3. Разработка спектральных анализаторов, отличающихся сложны ми оптическими системами, широким выбором источников излучения в раз ных областях спектра, высококачественными системами регистрации ин формации.

4. Разработка общеаналитических приборов высокого класса на модульном принципе, позволяющих с помощью основного прибора и раз личных вспомогательных блоков проводить различные исследования и реги стрировать конечный результат как в графической, так и в цифровой формах.

Такие приборы могут быть многоканальными, т.е. дают возможность прово дить одновременно анализ нескольких проб, и многопрограммными, позво ляющими осуществлять одновременно несколько анализов на одной пробе.

5. Разработка автоматических комплексных анализаторов, вклю чающих оптические блоки в качестве внешних (интерфейсных) устройств, которые сопрягаются с ПЭВМ для комплексной обработки всей исследова тельской информации.

2. Фотометрия в оценке гемореологических показателей 2.1. Патологические механизмы седиментации эритроцитов Изучение механизма реакции оседания эритроцитов имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение;

выяснение сущности процесса оседания и причин, вызывающих в одних случаях ускорение его, а в других - замедление, создает основу для определения принципов интерпре тации показаний СОЭ клинической практике.

На протяжении длительного периода времени, в течение которого про водилось изучение феномена оседания эритроцитов, для его объяснения была предложена не одна теория и указано большое количество фактов, которые могут оказывать влияние на процесс оседания. Однако и до сих пор суть это го явления остается невыясненной.

При изучении механизма реакции оседания эритроцитов можно наме тить три основных вопроса:

1. Определение факторов, оказывающих влияние на оседание, и выяснение, какие из них являются определяющими этот процесс и каким, так или ина че влияющим на его течение, можно придавать второстепенное значение;

2. Выяснение путей и способов влияния вышеуказанных факторов на оседа ние (механизм в узком смысле этого слова);

3. Изучение причин, обуславливающих количественное содержание в крови вещества, влияющего на оседание, или его качественное изменение.

Обилие факторов, предложенных в процессе изучения и разработки во проса, касающегося механизма оседания эритроцитов, а также изменения взглядов на роль каждого из них на протяжении многих лет разрешения дан ной проблемы, повлекло за собой создание значительного числа теорий, объ ясняющих сущность феномена оседания эритроцитов.

Основываясь на изучении публикаций и данных экспериментальных исследований, можно предложить следующее объяснение механизма седи ментации эритроцитов.

Кровь является естественной сложной дисперсной системой, вклю чающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодействии как между собой, так и с эритроцитами. В основе реакции оседания эритро цитов лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание сус пензий является процессом, происходящим во времени;

отмечая величину СОЭ, фактически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов;

это происходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобулинов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве содержатся в плазме.

Центральным звеном механизма увеличения СОЭ следует считать ско рость образования эритроцитарных агломератов in vitro. Если наблюдать в микроскоп за процессом оседания цитратной крови в капилляре в случае ус коренного оседания эритроцитов, можно заметить образование более или ме нее крупных эритроцитарных скоплений. Иногда это можно наблюдать и не вооруженным глазом, особенно при резком увеличении СОЭ. Согласно зако ну Стокса, скорость падения взвешенных в жидкости частиц прямо пропор циональна квадрату их радиуса. Естественно, чем быстрее происходит в ка пилляре агломерация эритроцитов и чем крупнее формирующиеся частицы, тем выше должна быть СОЭ.

Следует подчеркнуть, что в каждом конкретном случае СОЭ в конеч ном счете зависит от соотношения сил, нарушающих стабильность взвеси эритроцитов, и сил, стабилизирующих ее. Такое представление о механизме СОЭ является ключом к пониманию и правильной клинической оценке сложных и, на первый взгляд, иногда непонятных изменений оседания. Од нако процесс седиментации эритроцитов отличается от простого падения свободно взвешенных в жидкости частиц и, следовательно, не полностью подчинен закону Стокса.

Основным фактором, влияющим на образование монетных столбиков из эритроцитов, является белковый состав плазмы крови. Все белковые мо лекулы снижают Z-потенциал эритроцитов (отрицательный заряд, обуслов ленный отрицательно заряженными группами сиаловых кислот на эритроци тарной мембране, который способствует взаимному отталкиванию эритроци тов и поддержанию их во взвешенном состоянии), но наибольшее влияние оказывают асимметричные молекулы— фибриноген, иммуноглобулины, а также гаптоглобин. Влияние каждого из белков на скорость оседания эрит роцитов изучено экспериментально, например, показано, что ускоряющий эффект фибриногена в 33 раза выше, чем 1-глобулина, в 18 раз выше - глобулина и в 3 раза - 2-глобулина.

Альбумины несут на своей поверхности заряд, обволакивая эритроци ты, они препятствуют склеиванию эритроцитов и предотвращают оседание их.

Глобулины имеют более высокую молекулярную массу и меньший за ряд, поэтому увеличение содержания глобулинов снижает устойчивость, стабильность эритроцитов, при этом усиливаются процессы агломерации их и оседания.

Тарелли и Вестергеном была предложена формула, по которой можно рассчитать СОЭ, зная концентрацию в крови фибриногена, альбуминов и глобулинов.

СОЭ, мм/ч = 140,4 фибриноген(г%) + 62,22 глобулины(г%) – (1.36) 60,9 альбумины (г%) - 24.5.

Согласно этой формуле, особое влияние на скорость оседания оказы вает содержание фибриногена.

Однако степень ускорения в конечном итоге зависит от взаимоотноше ния белков с учетом феномена ингибиции (торможения одними белками ус коряющего влияния на оседание эритроцитов других белков).

Обобщая данные литературы, можно выделить 2 основные группы фак торов, влияющих на оседание эритроцитов:

1. Морфологические факторы.

Важную роль в оседании эритроцитов играют их количество в единице объема крови, форма и диаметр, а также количество гемоглобина в эритро цитах.

С ростом концентрации эритроцитов растет сопротивление движению и скорость их оседания в плазме падает. При количестве эритроцитов более 5,5 1012/л оценка СОЭ вообще невозможна. В связи с этим при малых кон центрациях (например, при анемиях) скорость оседания может быть значи тельно повышена, в то время как агрегация выражена слабо. Поэтому пред лагаются различные формулы для нормализованного показателя оседания типа:

СОЭ = 72 – 1,5 N (14 – N) или СОЭ = 42 – 7,5 N, (1.37) где показатель СОЭ выражен в миллиметрах за 1 час, а N – числовая кон центрация эритроцитов в миллионах в одном кубическом миллиметре.

Однако при учете влияния количества эритроцитов на скорость их осе дания следует учитывать также свойства той плазмы, в которой она происхо дит, поэтому установление прямой математической зависимости между ко личеством красных кровяных шариков и реакцией оседания не всегда оправ дано. На показатели СОЭ также оказывают влияние форма и размер эритро цитов.

Число, форма и размер эритроцитов также влияют на оседание. Эритро цитопения ускоряет оседание, а эритроцитоз его замедляет, однако при вы раженной серповидности, сфероцитозе, анизоцитозе скорость оседания эрит роцитов может быть низкой, несмотря на анемию, поскольку форма клеток препятствует образованию монетных столбиков. В то же время увеличенные в объеме эритроциты (макроциты) оседают быстрее мелких (миафоцитов), это хорошо прослеживается при выраженном анизоцитозе, когда верхняя граница эритроцитарного столба в капилляре оказывается нечеткой из-за разной скорости оседания.

2. Физико-химические факторы.

На Z - потенциал и оседание эритроцитов влияют также и физико химические факторы:

• рН плазмы: сдвиг в сторону ацидоза - снижает, в сторону алкалоза - повышает СОЭ;

• ионный заряд плазмы: его снижение ускоряет оседание;

• содержание желчных кислот и желчных пигментов: увеличение их количества ведет к уменьшению СОЭ;

• липиды крови: при увеличении содержания холестерина СОЭ увели чивается;

• вязкость крови: при ее увеличении СОЭ уменьшается;

• наличие антиэритроцитарных антител: изо- и аутоагглютинины, из меняя специфически эритроцитарную поверхность, способствуют их склеиванию и ускоряют оседание.

Ускоряющие СОЭ факторы способствуют быстрому склеиванию эрит роцитов в крупные агломераты. К подобным факторам относятся субстан ции, накапливающиеся в крови при инфекционных воспалительных процес сах, опухолевом росте, некрозе тканей. Такими веществами являются: фиб риноген, глобулин, гаптоглобин, церулоплазмин, гиалуроновая кислота, хон дроитинсерная кислота, парапротеины. циркулирующие иммунные комплек сы, декстраны, жировые эмульсии, пероральный прием контрацептивов, би септола, кортизона. К факторам, ускоряющим СОЭ, относятся также бере менность и анемии.

К числу факторов, препятствующих агломерации эритроцитов и, сле довательно, снижающие СОЭ относят: увеличение количества эритроцитов в единице объема крови, уменьшение диаметра эритроцитов (микроцитоз) и их формы (серповидность), повышение вязкости крови, снижение температу ры в рабочей комнате, сдвиг рН в кислую сторону, нарастание в крови со держания билирубина, желчных кислот, холестерина, легких полипептидных цепей (белков Бенс-Джонса), при приеме лекарственных препаратов (диуре тиков, салицилатов, глюкозы, хинина).

В последние годы получены факты, свидетельствующие о связи фено мена СОЭ с явлениями иммунитета. СОЭ может повышаться при агломера ции эритроцитов ввиду адсорбции на их поверхности антигенов и антител.

Кроме этого, имеются основания предположить, что замедляющее зве но механизма СОЭ контролируется нервной системой. Еще Э. Бернацкий отметил, что при некоторых психических заболеваниях СОЭ резко уменьша ется. Отчетливое снижение СОЭ наступает после тяжелого сотрясения го ловного мозга. Как показали специальные исследования, уменьшение СОЭ может зависеть от ускоренного выхода из костного мозга высокозаряженных эритроцитов, что увеличивает стабильность эритроцитной взвеси. Ретикуло цитоз часто сопровождается тенденцией к снижению СОЭ. Это отмечается, например, при вдыхании углекислого газа, при лечебном применении глю кокортикоидов, введении витамина B12 у больных пернициозной анемией и т. д. Тенденция к уменьшению СОЭ, по-видимому, является одним из глу бинных гематологических проявлений при острых ситуациях, что препятст вует агломерирующему действию ускоряющих СОЭ субстанций.

Таким образом, оседание эритроцитов представляет собой феномен фи зико-химического порядка. Однако, СОЭ, будучи связана со сложными кол лоидными сдвигами в клетках и тканях и представляя собой один из показа телей клеточной реакции, является отражением некоторых биохимических изменений в организме. В тоже время имеются данные, позволяющие счи тать, что эта реакция является также проявлением более глубоких биологи ческих процессов, связанных с иммунологическим состоянием организма.

На основании изложенного можно сделать вывод, что изменение СОЭ, явля ясь в конечном итоге функцией физико-химических изменений крови, за висит от состояния всего организма в целом, его обменных процессов и ней рогуморальной регуляции, что обуславливает принципы его клинического применения.

2.2. Реологические свойства крови и их влияние на механизм агрегации эритроцитов Реология — это область механики, которая изучает особенности тече ния и деформации реальных сплошных сред, одними из представителей ко торых являются неньютоновские жидкости со структурной вязкостью.

Типичной неньютоновской жидкостью является кровь. Реология крови, или гемореология изучает механические закономерности и особенно измене ния физколлоидных свойств крови в процессе циркуляции с различной ско ростью и на различных участках сосудистого русла.

Движение крови в организме определяется сократительной способно стью сердца, функциональным состоянием кровеносного русла, свойствами самой крови.

При сравнительно малых линейных скоростях течения частицы крови смещаются параллельно друг к другу и оси сосуда. В этом случае поток кро ви имеет слоистый характер, и такое течение называют ламинарным. Если линейная скорость увеличивается и превышает определенную величину, раз личную для каждого сосуда, то ламинарное течение превращается в беспоря дочное, вихревое, которое называется «турбулентным». Скорость движения крови, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное, опреде ляется с помощью числа Рейнольдса, которое для кровеносных сосудов со ставляет приближенно 1160. Данные о числах Рейнольдса свидетельствуют, что турбулентность возможна лишь в начале аорты и в местах ветвления крупных сосудов. Движение крови по большинству сосудов ламинарно.

Кроме линейной и объемной скорости кровотока движение крови по сосуду характеризуется еще двумя важными параметрами, так называемым «напря жением сдвига» и «скоростью сдвига». Напряжение сдвига означает силу, действующую на единицу поверхности сосуда в направлении, тангенциаль ном к поверхности и измеряется в дин/см2, или в Паскалях. Скорость сдвига измеряется в обратных секундах (с-1) и означает величину градиента скоро сти движения между параллельно движущимися слоями жидкости на едини цу расстояния между ними. Вязкость крови определяется как отношение на пряжения сдвига к скорости сдвига, и измеряется в мПас.

Вязкость цельной крови зависит от скорости сдвига в диапазоне 0,1 — 120 с-1. При скорости сдвига >100 с-1 изменения вязкости не столь выражены, а после достижения скорости сдвига 200 c-1 вязкость крови практически не изменяется. Величину вязкости, измеренную при высокой скорости сдвига (более 120 — 200 с-1), называют асимптотической вязкостью.

Принципиальными факторами, влияющими на вязкость крови, являют ся гематокрит, свойства плазмы, агрегация и деформируемость клеточных элементов. Учитывая подавляющее большинство эритроцитов по сравнению с лейкоцитами и тромбоцитами, вязкостные свойства крови определяются в основном красными клетками.

Главнейшим фактором, определяющим вязкость крови, является объ емная концентрация эритроцитов (их содержание и средний объем), назы ваемая гематокритом. Гематокрит, определяемый из пробы крови путем цен трифугирования, составляет примерно 0,4 — 0,5 л/л.

Плазма является ньютоновской жидкостью, ее вязкость зависит от тем пературы и определяется составом белков крови. Более всего на вязкость плазмы влияет фибриноген (вязкость плазмы на 20% выше вязкости сыво ротки) и глобулины (особенно Y-глобулины). По мнению некоторых иссле дователей более важным фактором, ведущим к изменению вязкости плазмы, является не абсолютное количество белков, а их соотношения: альбу мин/глобулины, альбумин/фибриноген.

Вязкость крови увеличивается при ее агрегации, что определяет нень ютоновское поведение цельной крови, это свойство обусловлено агрегацион ной способностью эритроцитов. Физиологическая агрегация эритроцитов — процесс обратимый. В здоровом организме непрерывно происходит динами ческий процесс «агрегация – дезагрегация», и дезагрегация доминирует над агрегацией.

Свойство эритроцитов образовывать агрегаты зависит от гемодинами ческих, плазменных, электростатических, механических и др. факторов. В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих механизм агре гации эритроцитов. Наиболее известной на сегодняшний день является тео рия мостикового механизма, согласно которой на поверхности эритроцита адсорбируются мостики из фибриногена или других крупномолекулярных белков, в частности Y-глобулинов, которые при уменьшении сдвиговых сил способствуют агрегации эритроцитов. Чистая сила агрегации является разно стью между силой в мостиках, силой электростатического отталкивания от рицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей дезаг регацию. Механизм фиксации на эритроцитах отрицательно заряженных макромолекул: фибриногена, Y-глобулинов — пока не вполне понятен. Име ется точка зрения, что сцепление молекул происходит за счет слабых водо родных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса. Существует объяснение агрегации эритроцитов посредством истощения - отсутствия высоко молекулярных белков вблизи эритроцитов, в результате чего появляется «давление взаимодействия», сходное по природе с осмотическим давлением макромолекулярного раствора, что приводит к сближению суспендирован ных частиц. Кроме этого, существует теория, по которой агрегация эритро цитов вызвана собственно эритроцитарными факторами, которые приводят к уменьшению дзета-потенциала эритроцитов и изменению их формы и мета болизма.

Таким образом, вследствие взаимосвязи между агрегационной способ ностью эритроцитов и вязкостью крови для оценки реологических свойств крови необходим комплексный анализ этих показателей. Одним из наиболее доступных и широко распространенных методов измерения агрегации эрит роцитов является оценка скорости седиментации эритроцитов. Однако в сво ем традиционном варианте этот тест является малоинформативным, так как не учитывает реологические характеристики крови.

2.3. Физическая модель седиментации эритроцитов С позиции законов физической химии оседание эритроцитов является своеобразной формой оседания суспензий. Кровь представляет собою с фи зико-химической точки зрения полидисперсную систему, включающую в се бя вещества с различной степенью дисперсности: эритроциты находятся во взвешенном состоянии, белки образуют коллоидный раствор, а некоторые другие органические вещества (мочевина, глюкоза и другие) и соли представ ляют собою истинный раствор. Оседание эритроцитов, таким образом, про исходит в сложной по своему составу дисперсной среде.

Рассмотрение механизма СОЭ может быть понято более детально с точки зрения законов оседания суспензий, причем необходимо учитывать, что оседание суспензий подчиняется законам коагуляции гидрофобных кол лоидов.

При этом наиболее существенными моментами являются изменение дисперсности оседающей суспензии и наличие веществ, определяющих не стойкость взвеси. Что касается первого момента, то его выражением при осе дании эритроцитов является агломерация последних, которая является, как было изложено выше, наиболее существенным звеном в механизме РОЭ. Что касается второго момента, то из приведенного обзора литературы следует, что наиболее ясную зависимость с оседанием эритроцитов обнаруживают белки крови. Роль белков плазмы вытекает из трех серий наблюдений:

• параллелизм в изменении скорости оседания эритроцитов и содержании отдельных белковых фракций плазмы;

• факт оседания эритроцитов в чистых растворах белков, причем скорость оседания изменяется параллельно изменению концентрации раствора бел ков;

• клинические наблюдения, свидетельствующие о том, что РОЭ повышена обычно при тех болезненных состояниях, при которых наблюдается нако пление в крови грубодисперсных белков.

При этом следует учитывать неодинаковое значение различных белко вых фракций плазмы.

Наиболее постоянная зависимость устанавливается между оседанием эритроцитов и фибриногеном плазмы. Известно, что для оседания суспензий (аналогично тому явлению, которое имеет место при коагуляции коллоидов) существенное значение имеют не только свойства вещества, обус ловливающего этот процесс (в данном случае фибриногена, являющегося лиофильным коллоидом), но и его количество, что объясняет наблюдаю щуюся корреляцию между уровнем фибриногена и выраженностью агломе рации эритроцитов. Кроме того, известно, что оседание суспензий (также как коагуляция коллоидов) является процессом, протекающим во времени, что объясняет, почему оседание эритроцитов может протекать быстрее и мед леннее. Это также связано с уровнем цифр фибриногена в плазме. Известно также, что в дефибринированной крови оседание эритроцитов почти не на блюдается. Таким образом, очевидно, фибриноген является основным веще ством, приводящим взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние и обуслов ливающим ее оседание.

В то же время детальное рассмотрение связи между скоростью оседа ния эритроцитов и уровнем фибриногена показывает, что не всегда она ока зывается прямой и постоянной. Можно наблюдать при этом, что при относи тельно небольших величинах фибриногена у больного констатируется до вольно высокая скорость оседания: оказывается, что в таких случаях повы шено количество глобулинов;

сочетание, особенно высоких цифр, фибрино гена и глобулинов сопровождается очень высокой РОЭ. Важно также под черкнуть, что оседание эритроцитов может быть более или менее ускорено у больных со значительным уменьшением количества альбуминов, в то же время при его высоких величинах (как это имеет место у здоровых) РОЭ не высока.

Таким образом, глобулиновая и альбуминовая фракции плазмы также принимают участие в течение процесса оседания, причем у альбуминов кон статируется тормозящая тенденция, а глобулины проявляют свое действие в сочетании с фибриногеном (в дефибринированной крови лишь очень высо кие цифры глобулинов вызывают оседание эритроцитов).

Разнообразная роль различных белковых фракций в процессе оседания также находит свое объяснение при рассмотрении механизма РОЭ с точки зрения законов оседания (коагуляции) и может быть объяснена явлениями коллоидной защиты и сенсибилизации.

Сущность процесса коагуляции состоит в следующем: высокоустойчи вые частицы того или иного лиофильного золя адсорбируются на поверхно сти лиофобных частиц и тем самым предохраняют их от непосредственного соприкосновения одна с другой, а, стало быть, и от агрегации. Коллоидная защита самым тесным образом связана с другим явлением прямо противопо ложного характера. Оно состоит в том, что прибавление некоторых лиофиль ных коллоидов к лиофобному не только не увеличивает, но, напротив, пони жает порог коагуляции и уменьшает устойчивость этого последнего. Явление это носит название сенсибилизации и заключается в том, что сенсибилизи рующий коллоид отнимает от лиофобного адсорбированные на его поверх ности стабилизирующие частицы. Поскольку суспензии оседают по законам коагуляции лиофобных коллоидов, все изложенное имеет также прямое от ношение к суспензиям.

С этой точки зрения влияние альбуминов на оседание эритроцитов мо жет быть интерпретировано как явление защиты;

влияние глобулинов — свя зано с сенсибилизацией: по-видимому, глобулины сенсибилизируют взвесь эритроцитов к влиянию фибриногена. Можно полагать, что при очень боль ших количествах глобулины также могут выступать в качестве фактора, при водящего взвесь эритроцитов в неустойчивое состояние, что может объяс нить те сравнительно редкие данные эксперимента, когда в дефибринирован ной крови можно наблюдать оседание эритроцитов.

Как следует из изложенного, в основе реакции оседания эритроцитов лежит явление оседания взвеси эритроцитов в плазме. Оседание суспензий является процессом, происходящим во времени;

отмечая величину РОЭ, фак тически учитывают степень неустойчивости взвеси эритроцитов, сопровож дающуюся более или менее выраженной скоростью ее оседания;

это проис ходит под влиянием лиофильных коллоидов плазмы: фибриногена, глобули нов, альбуминов, которые в естественных условиях в большем или меньшем количестве имеются в плазме. Более выраженная устойчивость взвеси эрит роцитов обусловлена постоянным присутствием в плазме альбуминов, в то время как с фибриногеном и глобулинами связана ее неустойчивость. Таким образом, может быть объяснен механизм реакции оседания эритроцитов.

Изложенная физико-химическая теория оседания эритроцитов, не претендуя на исчерпывающую полноту, позволяет, с одной стороны, объяс нить некоторые неясные стороны явления оседания, а с другой - синтезиро вать ряд противоречивых данных, имеющихся в литературе по вопросу о механизме реакции оседания эритроцитов.

Считая фибриноген основным астабилизатором взвеси эритроцитов, нельзя ограничивать объяснение механизма оседания только лишь влиянием белков плазмы, считая их роль в явлениях оседания ведущей, поскольку не исключе возможности участия других ингредиентов плазмы в явлениях за щиты и сенсибилизации;

в частности, можно рассматривать полипептиды как фактор защиты. С точки зрения явлений защиты и сенсибилизации мо жет рассматриваться также роль различных фракций глобулинов, мукопро теидов, мукополисахаридов и других веществ, описываемых в качестве фак торов, играющих роль в механизме оседания эритроцитов.

Кровь является естественной сложной дисперсной системой, вклю чающей в себя различные вещества, находящиеся в сложном взаимодейст вии как между собой, так и с эритроцитами.

С точки зрения предлагаемого объяснения механизму реакции могут быть объединены различные теории оседания, как, например, электрохими ческая и теория лабильности коллоидов плазмы. В самом деле, процесс коа гуляции (седиментации) представляет собою сложное явление, для течения которого помимо явлений защиты и сенсибилизации, имеет значение ряд до полнительных условий. Известно, например, что седиментация наступает в изоэлектрическом пункте коллоида (правило Гарди);

существенным является также влияние электролитов и среды, в которой находятся взаимодействую щие вещества (концентрация Н-ионов);

велико значение рН и для явлений защиты.

Таким образом, с точки зрения предлагаемого объяснение оседание эритроцитов не является только показателем изменений соотношения белков плазмы, а течение РОЭ определяется всей совокупностью физико химических изменений крови.

Процесс оседания эритроцитов немонотонен во времени и можно вы делить 3 четко выраженных фазы:

В I фазе под действием земного притяжения эритроциты медленно оседают отдельными клетками. Эта фаза короткая.

Во II фазе, более длительной, происходит склеивание эритроцитов.

Они образуют кучки различной величины, которые оседают уже более быст ро. Агломерация эритроцитов является основным феноменом оседания эрит роцитов. Без агломерации эритроциты крови здорового человека осели бы за 1 ч на 0,2 мм.

В III фазе оседание эритроцитов замедляется за счет того, что агломе раты располагаются очень густо, что замедляет их дальнейшее оседание.

Дробным (через каждые 10 мин) регистрированием опускающегося уровня пограничной зоны показано, что при оседание агрегирующихся эрит роцитов человека происходит соответственно кривой, изображенной на рис.

1.5.: вначале, в течение нескольких минут, падение медленное, затем оно ус коряется на 30 - 40 мин, а через 90 - 120 мин граница эритроцитарного столба экспоненциально выходит на практически окончательный уровень.

Иногда обнаруживается S-образность седиментационной кривой h(t):

первые 15 — 60 мин опускание границы плазма - эритроциты происходит крайне медленно или не происходит вообще. Вслед за этим наступает весьма быстрая фаза седиментации. «Перекрестное» исследование оседания эритро цитов из такой крови в совместимой плазме (лиц с обычной седиментацией) показало, что фактор, задерживающий начало реакции, содержится в эритро цитах, причем задержка сильно зависит от рН и температуры.

Рис. 1.5. S-образная седиментационная кривая;

h—толщина слоя плазмы;

кружки — значения hi.

В начале оседания, т. е. за время от одной до нескольких минут, нет четкой границы раздела между чистой плазмой и оседающими эритроцита ми. В дальнейшем весь столбик крови в капилляре постепенно разделяется на три зоны (рис. 1.6.):

1. Зона чистой плазмы.

Начинается от верхнего мениска жидкости и доходит внизу до раздела чистой плазмы и оседающих эритроцитов. Над поверхностью раздела име ются отдельные эритроциты (или маленькие агрегаты) в весьма малой кон центрации, по-видимому, отмытые от стенок трубки вторично после прохода верхней границы эритроцитарного столба, а также вынесенные из эритроци тарной зоны восходящими потоками;

чем выше, тем меньше число и размер таких «отставших» агрегатов.

Рис. 1.6. Восходящие и нисходящие потоки в прямой (1) и наклонной (2) седиментационных трубах:

а — зона чистой плазмы, б — зона потоков, в — компактная зона.

2. Зона оседающих эритроцитов.

При малых концентрациях на фоне общего движения вниз существуют нисходящие и восходящие потоки эритроцитов. При больших концентрациях касающиеся друг друга агрегаты создают впечатление единого эритроцитар ного остова (сети). При этом вытесняемая плазма пробивает в остове извили стые ходы, по которым поднимается с довольно значительной скоростью вверх, увлекая за собой небольшие агрегаты и отдельные эритроциты.

В результате экспериментов было предложено дополнительное деление зоны оседающих эритроцитов 2 еще на три подзоны:

2-1) Верхняя спокойная подзона. Это самая верхняя, высотой 0,5 — мм часть эритроцитарного столба со случайным расположением клеток, ко торые оседают независимо друг от друга примерно с одинаковой скоростью.

2-2) Подзона потоков. Наиболее значительная часть эритроцитарного столба, которая включает потоки эритроцитов, движущиеся вверх и вниз и возникающие из предыдущей зоны, то ускоряясь, то замедляясь (рис. 3) и разворачиваясь вверх. Обычно бывает не более двух потоков в каждом на правлении, а вдоль стенок таких потоков не наблюдается. В этой подзоне, в слое толщиной 50 мкм, эритроциты оседали много медленнее, чем в центре зоны.

2-З) Нижняя спокойная подзона. Расположена тотчас над компактной зоной 3. Размеры - как и в верхней спокойной подзоне.

3. Компактная зона.

В этой нижней зоне трубки все эритроциты касаются один другого, движение практически отсутствует, концентрация их максимальна.

Расположение восходящих потоков в вертикальной трубке имеет слу чайный характер. В наклоненных капиллярах восходящие потоки вполне ре гулярны (рис. 3) и ускоряют оседание: уже в первые минуты кровь разделя ется на слой плазмы и слой эритроцитов по всей длине трубки, и оседание представляет собой сочетание дальнейшего расслоения эритроцитов и плаз мы, со всплыванием чистой плазмы вверх и опускания столба эритроцитов вниз.

Одиночные эритроциты человека во время оседания вращаются так, что смена способа движения (ребром вниз, наклонно или плоско) происходит приблизительно три раза в минуту. Больше половины времени падения эрит роцит движется ребром вниз и скорость такого оседания (0,99 мкм/с) больше, чем скорость при движении наклонно (0,87) или плоской поверхностью вниз (0,76). Средняя скорость оседания одиночного эритроцита в физиологиче ском растворе (вязкость 10-3 Па с, плотность 10-3 кг/м3) равна 0,9, хотя разброс за счет различий в диаметрах эритроцитов, их плотностях и способах падения велик: от 0,59 до 1,20 мкм/с.

Опускание эритроцитов (и агрегатов) сопровождается вытеснением плазмы вверх, т. е. оседание всегда сопровождается возникновением течения.

Независимо от того, принимает ли оно форму крупномасштабных восходя щих и нисходящих потоков, это течение сопровождается вращением и флук туациями эритроцитов. Сдвиговый характер течения в крупных потоках и мелкомасштабные движения могут вторично повлиять на оседание, а именно - ускорить его по мере усиления агрегации эритроцитов. Другими словами, агрегация, усиливающая начальное оседание, должна приводить к ускорению возникающих микротечений, а поэтому – к дальнейшему усилению агрега ции.

Таким образом, и экспериментальные исследования, и физико химическая теория седиментации эритроцитов показывают, что центральным движущим звеном процесса оседания эритроцитов является агломерация эритороцитов под влиянием физико-химических факторов изменения крови.

2.4. Математическая модель седиментации эритроцитов в капилляре Основой теоретического анализа процесса оседания эритроцитов слу жит обобщенная формула Стокса в виде:

2 / k p f v - v = ( - ) g (1.38) p f f где vp(x,t) и vf(x,t) - скорости эритроцитов и плазмы в данный момент вре мени в данном сечении седиментационной трубки;

p и f - истинные плотности эритроцитов и плазмы;

- вязкость плазмы;

k - коэффициент, зависящий от среднего размера и формы эритроци тарных агрегатов и их объемной концентрации H, характеризующий взвесь в сечении x в момент времени t;

- средний объем одного агрегата;

g - ускорение силы тяжести.

Формула (1.38) представляет собой следствие закона сохранения коли чества движения и имеет смысл условие приближенной равномерности (ква зистационарности) движения. Формула (1.38) превращается в формулу Сто кса для сферической частицы, падающей в безграничной среде, когда vf = 0 и k = (6)-1(4/3)1/3.

Соотношение (1.38) содержит неизвестные функции от x, t: скорости vp(x,t) и vf(x,t), H и N = H/, где N – числовая концентрация агрегатов. Связь между vp(x,t) и vf(x,t) дается законом сохранения массы смеси, т.е. в данном случае формулой p f v H + v (1- H ) = 0 и поэтому:

2 / kH (1- H ) p v = ( - )g, (1.39) p f 2 / N f С позиции общей теории оседание (как относительное движение фаз в смеси) представляет собой диффузию, вызванную несобственным беспоря дочным движением частиц, а действующей на них внешней силой.

Формула (1.39) есть определяющее соотношение для двухфазной сре ды, имеющее смысл закона диффузии взвешенных частиц.

Данная теоретическая модель седиментации эритроцитов достаточно сложна и не имеет практической реализации. Кроме этого, произвольность выбора некоторых коэффициентов при числе оптимизируемых параметров более двух.

Поэтому представляется целесообразным:

- во-первых, максимально упростить формализм математической модели;

- во-вторых, заложить в модель реальные механические свойства эритроци та (форму, объем, площадь поверхности, мембраны, деформируемость).

Диапазон практической применимости в этом случае существенно рас ширяется.

С этой точки зрения интересной является модель, предложенная И.В.Ямайкиной и Э.В.Ивашкевичем.

Математическая модель седиментации эритроцитов построена при ис ходных допущениях:

1. Оседание происходит «единым фронтом», без деления на зоны;

2. Концентрация эритроцитов в столике постоянна по всей высоте и в каж дый данный момент зависит только от длины столбика и исходной кон центрации эритроцитов;

3. Оседающие частицы можно считать сферическими;

4. Для каждого отдельного эритроцита или агрегата вся остальная среда представляется сплошной с некоторыми усредненными значениями плот ности (H0) = (1-H0) и вязкости (H0) = (1 + H02);

5. Эффекты спутанного увлечения плазмы не учитываются.

Рассмотрим случай оседания эритроцитов в гравитационном поле. В ходе процесса их концентрация в столбике возрастает. В некоторый момент вре мени t скорость частиц на границе раздела будет выражаться как H h A1- h(t) v(t) =, (1.40) H h0 1+1 h2 (t) где H0 – объемная концентрация эритроцитов;

h(t) – высота столбика оседающих эритроцитов;

H0 – предельная высота столбика осевших эритроцитов;

- реологический параметр;

t – время;

А – скорость падения эритроцита в вязкой жидкости (Re<<1).

Коэффициент A рассчитывается по формуле Стокса:

2gR A =, (1.41) где g = 9,8 м/с – ускорение свободного падения;

R – гидродинамический радиус сопротивления эритроцита или агрегата клетки;

- разность плотностей оседающей частицы и среды;

для эритроцита в плазме = 50 кг/м3, для эритроцита в изотоническом буфере (5% раствор цитрата на трия pH 7,4) = 100 кг/м - вязкость среды.

Длина столбика плазмы при этом равна:

t h0 - h(t) = )d. (1.42) v( Подставим (1.40) в (1.42) и продифференцируем правую и левую части.

В результате преобразований получим в левой части функцию высоты стол бика эритроцитов, а в правой – линейную функцию времени:

h - H0h0 h h - h0 + H0h0 (1-)ln - H0h0 ln = -At (1.43) h0(1- H0 ) h Рассмотрим предельные случаи.

В начале процесса, при t0, кинетика оседания выражается линейным уравнением h = h0 - At (1.44) При больших временах, зависимость становится экспоненциальной и также хорошо согласуется с опытом:

H = H0 + (1- H0 )exp(-kt) (1.45) A k = H0h0(1+) где K – константа скорости оседания.

Из формулы (1.45) видно, что зависимость СОЭ от показателя гематок рита при малых величинах H0 линейна;

при увеличении концентрации эрит роцитов она становится гиперболической. Это хорошо согласуется с данны ми опыта.

Как видно из (1.45) начальная СОЭ и константа скорости оседания К пропорциональны квадрату среднего радиуса частицы. При осаждении эрит роцитов в плазме эта величина намного больше среднего радиуса эритроцита вследствие агрегации.

Таким образом, измеряя h(t) при известном показателе гематокрита H0, при помощи математической модели можно вычислить средний радиус час тиц R и реологический параметр крови.

Вывод: Предложенная в настоящей работе математическая модель осе дания эритроцита в капилляре содержит всего два параметра оптимизации (реологический и радиус гидродинамического сопротивления клетки, каж дый из которых имеет реальный физический смысл. Она удовлетворительно описывает экспериментальные данные, имеющиеся в литературе. С помощью данной модели возможно исследование реологии эритроцитарных суспензий по измерениям кинетики оседания эритроцитов и вычисления реологическо го параметра без применениям вискозиметра. Кроме этого, математическая модель позволяет вычислять радиус гидродинамического сопротивления клетки эритроцита, среднее число клеток в агрегатах эритроцитов по форму ле N = R3 / R3, где Rе = 4 мкм – условный радиус эритроцитов.

е 2.5. Лабораторные способы исследования скорости оседания эритроцитов 2.5.1. Методика постановки теста СОЭ Весьма существенное значение для получения правильных показаний СОЭ и для правильной оценки имеет методика постановки реакции.

Существуют макро- и микрометоды определения скорости оседания эритроцитов. Кровь берут из вены (первая группа методов) или из пальца (вторая группа методов), смешивают с раствором какого-либо антикоагулян та, обычно оксалата или цитрата натрия (1 часть разводящей жидкости и части крови), помещают в градуированный стеклянный сосуд (пипетку) и ус танавливают ее вертикально. При оценке скорости оседания за постоянную величину принимают время (1 ч), относительно которого оценивают пере менную величину - оседание.

В нашей стране распространен микрометод в модификации Панченко ва Т.П. Он принят в качестве унифицированного.

Принцип: цельная кровь, консервированная цитратом натрия, при стоянии в капиллярах Панченкова разделяется на два слоя (эритроциты, плазма). Ре активы: 5% раствор цитрата натрия, рН которого должен быть 7,0 или 7, (нейтральная или слабощелочная). Проба стабильна в течение 2 ч при 25° С и 12 ч при 4° С.

Оборудование: аппарат Панченкова, представляющий собой специальную градуированную капиллярную пипетку, имеющую просвет в 1 мм и длину 100 мм.

Ход определения: Пипетку предварительно промывают 3,7% раствором цитрата натрия, затем набирают этот раствор в пипетку до метки «70» ( мкл) и выливают на дно пробирки Видаля. Кровь из пальца насасывают тем же капилляром - сначала целый капилляр, затем еще до метки «80» (120 мкл).

Количество цитрата и крови может быть разное - 25 мкл цитрата и 100 мкл крови, 50 мкл цитрата и 200 мкл крови, но соотношение их должно быть обя зательно 1:4. Кровь помещают в пробирку с цитратом и после тщательного перемешивания вновь набирают в капиллярную пипетку до метки «О». Ка пилляр с цитратной кровью ставят в штатив вертикально между двумя рези новыми прокладками и оставляют на час. Через час определяют величину оседания по столбику плазмы над осевшими эритроцитами, деление капил лярной пипетки соответствующее границе плазмы и эритроцитов, записыва ют как величину СОЭ в миллиметрах в час.

При определении СОЭ венозной крови в качестве антикоагулянта при взятии крови используют ЭДТА-Na2 (1 - 2 кристаллика на 1 мл крови, пере мешивать 1 - 2 мин), а затем все, как описано выше. Результаты оценивают по линии раздела жидкой части и клеточных элементов.

Очень часто при анемиях нет резкой границы между эритроцитами и плазмой за счет «вуали» из ретикулоцитов. Эта «вуаль» причисляется к столбику плазмы.

Несмотря на простоту выполнения микрометода Панченкова, при его постановке требуется соблюдать аккуратность и точность.

Основные причины ошибок при постановке теста СОЭ:

• недостаточная глубина прокола иглой Франка. Это приводит к тому, что кровь приходится выжимать из пальца с известным усилием. Отсюда – травматизация капилляров, перемешивание крови с лимфой, что суще ственным образом влияет на скорость оседания.

• Нарушение соотношения цитрата с кровью. При постановке реакции осе дания важно соблюдать точность соотношения цитрата и крови (1:4). Бо лее концентрированный цитрат извлекает воду из эритроцитов и ускоря ет оседание. Менее концентрированный цитрат (гипотонический) вы зывает поступление воды в эритроцит и замедляет СОЭ.

• Качество самого цитрата. 5% раствор цитрата должен быть немутным и иметь рН нейтральный или щелочной. Кислая соль цитрата непригодна для постановки СОЭ.

• Размешивание крови с цитратом. Нужно хорошо размешивать кровь с цитратом во избежании сгустков. Недостаточное перемешивание крови с цитратом приводит к задержке оседания. Следует стремиться осуществ лять перемешивание крови с цитратом насасываем смеси в капилляр строго определенное число раз, чтобы избежать длительное перемешива ния, травмирующего эритроциты.

• Загрязнение капилляров сгустками крови, остатками. Необходимо хоро шо промывать капилляр цитратом перед работой.

• Неоткалиброванные капилляры.

• Температурный фактор. Оптимальная температура 18 – 22 0С, при более низкой температуре оседание замедляется, при более высокой – ускоря ется. СОЭ в капиллярах следует устанавливать не позднее 2 ч от момента взятия крови.

Для экспресс - метода используют модификацию микрометода Панчен кова, которая заключается в измерении СОЭ в наклонных капиллярах. Из вестно, что любой наклон ускоряет оседание эритроцитов, и скорость оседа ния в этом случае, до известной степени, обратно пропорциональна углу их наклона. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптималь ный угол наклона пробирки 450. Метод был предложен Т.Я. Гуровичем и П.А. Подрабинеком. Подобные исследования проводились в биохимической лаборатории 7-ой городской клинической больницы г. Казани и на базе Ка занской Государственной Академии Ветеринарной медицины. Эксперимен тальные исследования показали, что в этом случае оседание эритроцитов идет направленно только под влиянием их агрегационных свойств без учета случайной составляющей, вызванной спонтанной агрегацией в гравитацион ном поле. Кроме этого, значительно сокращается продолжительность анализа (до 15 минут). Однако результаты этого метода не приведены в соответствие стандартным значениям показателя СОЭ, что существенно уменьшает их ди агностическую ценность и вызывает некоторую скептическую реакцию со стороны врачей.

С другой стороны, возможности метода позволяют не только проводить анализ скорости оседания эритроцитов, но также оценивать их агрегацион ную способность и определять величину гематокрита. Это требует разработ ки новой методики оценки результатов экспресс – анализа агрегационных свойств эритроцитов.

2.5.2. Исследование процесса седиментации эритроцитов в динамике Как вытекает из изложенного, в основу учета показаний СОЭ в клиниче ских условиях принят принцип выявления скорости оседания эритроцитов за определенный отрезок времени - один час, поскольку этот период наиболее четко характеризует течение процесса оседания.

Уже в первые годы практического применения реакции появились ра боты, указывающие на клиническое значение определения СОЭ через корот кие промежутки времени. При этом высота столбика осевших эритроцитов фиксируется через отдельные промежутки времени (обычно каждые пятна дцать минут), данные наносятся на ось ординат и точки, определяющие ве личину оседания за отдельные отрезки часа, соединяются. Кривая оседания позволяет не только судить о величине оседания, но и его характере.

В последующем такая методика исследования получила название фракционной скорости оседания эритроцитов.

В норме, т.е. у здорового человека, оседание эритроцитов происходит равномерно и не превышает 2 – 3 мм за каждые 15 минут. При максимальном оседании эритроциты в первой и второй четверти часа следует думать об ак тивном воспалительном процессе.

Принципы метода определения фракционной СОЭ используются в ме тоде сигма – СОЭ, предложенного французскими ревматологами в 1972 г.

для определения эффективности лечения ревматоидного артрита. Особен ность метода сигма – СОЭ заключается в использовании гепанизированной венозной крови, предварительная стандартизация гематокрита (0,35 г/л) и четырехкратный учет величин седиментации эритроцитов с последующим подсчетом суммы полученных показателей. Благодаря унификации гематок рита отчетливо выявляется влияние на СОЭ различных ингридиентов плаз мы: белков, липидов, мукополисахаридов, концентрации желчных кислот и желчных пигментов, что свидетельствует о динамичности метода сигма – СОЭ и, как показали исследования, увеличивает его диагностическую цен ность. Однако данный метод является более трудоемким, чем метод Панчен кова, т.к. требует предварительной стандартизации гематокрита.

Модификацией метода определения фракционной СОЭ является «Спо соб контроля физиологического состояния человека», разработанный в ЗАО Центр «Анализ веществ» Воейковым В.Л., Гурфинкель Ю.И. и др. (патент RU 2103672 кл. G01N15/05, 1998).

Способ осуществляется следующим образом: при постановке теста ис пользуется микрометод в модификации Панченкова. Особенностью метода состоит в измерении времени прохождения границей эритроциты - плазмы заранее выбранных отрезков (например, 0,1, 0,5 или 1 мм), либо в фиксиро вании положения границы эритроциты - плазма через равные промежутки времени. Второй способ более просто поддается автоматизации. Такие изме рения выявляют колебания скорости оседания эритроцитов в ходе измерения, картина которых более точно отражает физиологическое обследуемого. Про тотипы данного метода не позволяют выявить подобных колебаний. На ос новании полученных измерений получают зависимость скорости осаждения эритроцитов от времени, характеризующуюся времени до начала колебаний скорости, частотой колебаний, максимальными значениями СОЭ, продолжи тельностью периода колебаний, которые является характеристичными для физиологического состояния обследуемого.

Данный способ контроля физиологического состояния позволяет повы сить диагностическую ценность теста СОЭ путем получения дополнительной информации о физиологическом состоянии человека на основе анализа зави симости скорости оседания эритроцитов от времени измерения.

По мере углубленного изучения реакции оседания эритроцитов в ди намике появилось ряд работ, исследующих зависимость различных характе ров кривых оседания от физиологического состояния человека.

По мнению Л. Д. Штейнберга, кривые оседания более четко характери зуют понятие «норма», чем скорость оседания эритроцитов за час. У здоро вых людей, независимо от возраста, оседание происходит сравнительно рав номерно, и кривая представляет собой несколько волнистую линию, прибли жающуюся к горизонтальной.

При наличии ряда патологических процессов максимум оседания, со провождающийся выбуханием кривой, отмечается в начальные моменты ре акции: кривая «сдвигается влево».

Л. Д. Штейнберг различает четыре типы кривых оседания в зависимо сти от реактивности организма:

1) гиперреактивные, когда наиболее выражена величина оседания в первую вторую четверть часа;

подобное явление наблюдается в острой фазе пато логического процесса на фоне резко повышенной общей реактивности ор ганизма (ревматизм, крупозная пневмония);

2) реактивные, когда наиболее выражена скорость оседания во вторую или третью четверть часа;

это имеет место при острых инфекционных заболе ваниях, протекающих с достаточной реактивностью (тифы, скарлатина);

3) гипореактивные, когда максимум оседания происходит в четвертый - пя тый отрезок времени;

подобные кривые обнаруживаются у выздоравли вающих больных или при заболеваниях, протекающих с пониженной ре активностью;

4) ареактивные плоские кривые со скоростью оседания за каждые 15 минут по 0,5 – 1 мм, они наблюдаются у больных, сопротивляемость которых резко снижена, при тяжелых общих процессах подобные кривые могут рассматриваться как прогностически плохой признак (финальная фаза ту беркулезного менингита).

По мнению Г.И. Бурчинского, объединяющим принципом для различ ных типов кривых является не принадлежность кривой к тому или иному за болеванию, а характер процесса и общая величина за один час. Тип кривой зависит от общей величины оседания за первый час: сдвиг кривой «влево» тем больше выражен, чем больше скорость оседания в течение первого часа.

При большой скорости оседания, как правило, наблюдаются наибольшие выбухания в первую или вторую четверть первого часа;

точно также, чем ниже оседание, тем равномернее выглядит кривая. При этом необходимо подчеркнуть, что при остро протекающих заболеваниях или обострениях хронических процессов чаще всего наблюдается максимальный подъем в первую или, реже, во вторую четверть первого часа, то есть сдвиг кривой «влево» характеризует острый характер течения процесса. Подобные кривые с выбуханием в первую четверть первого часа наблюдаются у больных в острой стадии ревматизма, при крупозной пневмонии, при нарастании эксу дата в полости плевры, при острых лейкозах, при злокачественном ма локровии на высоте заболевания.

По мере затихания процесса наблюдается сглаживание кривой, идущее параллельно уменьшению часовой скорости оседания;

при этом нередко от мечается, что в то время как величина, характеризующая скорость оседания за час, еще не успевает значительно измениться, уже можно уловить измене ние характера кривой: уменьшается разница оседания в первую и во вторую четверть первого часа, а иногда, наоборот, оседание во вторую четверть пер вого часа превышает оседание за первую четверть.

Наличие различных типов кривой оседания требует выяснения причин, которые обусловливают различный характер течения процесса оседания на протяжении первого часа. Существует мнение, что тип кривой оседания свя зан с накоплением в крови глобулина, являющегося полидисперсным белком, и с преобладанием в плазме той или иной его дисперсной фазы: превалиро вание грубодисперсного глобулина сопровождается выбуханием кривой в первые четверти первого часа;

накопление глобулина с преобладанием час тичек средней величины сопровождается выбуханием кривой в средней час ти, а глобулин, изобилующий мелкими частичками, обусловливает выбуха ние в конце кривой. Таким образом, кривая оседания является, в сущности, изображением «дисперсного спектра» глобулинов данной сыворотки.

Экспериментальные исследования показывают, что - если агломерация выражена резко, констатируется ясный сдвиг кривой влево с выбуханием ее либо в первую, либо во вторую четверть первого часа;

- если увеличение фибриногена в крови выражено значительно, почти все гда наблюдается выбухание кривой в первую четверть первого часа;

- в случаях, когда наблюдается одновременное увеличение фибриногена и глобулина и скорость оседания особенно высока, имеет место особенно резко выраженное выбухание кривой в первую, а также и во вторую чет верть первого часа;

- в случаях, когда уровень глобулина резко повышен, а фибриноген увели чен в крови нерезко, наблюдается характерный сдвиг влево, но с макси мумом оседания во вторую четверть первого часа.

- при нерезком увеличении содержания глобулина, при средних величинах ускорения наблюдается более равномерный тип кривой оседания.

Таким образом, тип кривой оседания эритроцитов, по-видимому, мо жет быть связан с преобладанием в плазме крови тех или иных белковых фракций. Эти данные стоят в соответствии с изложенными выше взглядами на роль альбумина, глобулина и фиброгена в процессе оседания. С точки зрения коагуляционной теории оседания изменения в характере кривой, по видимому, могут рассматриваться как проявление явной и скрытой коагуля ции (седиментации).

Таким образом, фракционная реакция оседания эритроцитов является более точным методом исследования, чем суммарная величина СОЭ за час и имеет большую диагностическую ценность и информативность. Анализ про цесса оседания эритроцитов в динамике открывает новые возможности для экспресс-метода СОЭ. Однако вместе с этим повышается трудоемкость про ведения анализа и требуется дополнительная обработка результатов исследо вания. Одним из рациональных решений является разработка методов авто матической регистрации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике.

2.6. Обзор методов и технических средств исследования агрегационных свойств клеток крови В настоящее время многие исследователи уделяют большое внимание изучению реологических свойств крови на уровне микроциркуляции, кото рые определяется ее агрегационными характеристиками. Для полного описа ния феномена агрегации необходимо определить адекватные характеристики агрегационного процесса, такие как 1. Время, необходимое для формирования дуплетов и сети монетных столбиков агрегатов эритроцитов;

2. Координатное число укрупненных агрегатов в единице объема;

3. Оценка факторов, вызывающих агрегацию.

В настоящее время ни один из методов не дает возможности определе ния всех трех параметров. В зависимости от используемой техники могут быть определены одновременно один либо два параметра. Исчерпывающую информацию об агрегационных способностях эритроцитов, таким образом, можно получить лишь используя по крайней мере две методики. Обычно ис пользуют две группы методов в зависимости от их способности производить либо статические, либо кинематические измерения.

Проведем классификацию методов гемореологических исследований, позволяющих определять агрегационные и реологические свойства крови.

2.6.1. Оценка агрегационных свойств крови по СОЭ Одним из самых широкоизвестных и доступных методов непрямого из мерения агрегационных свойств крови является оценка скорости седимента ции эритроцитов. В настоящее время в клинико-диагностических лаборато риях применяется ручной метод определения скорости седиментации эрит роцитов в вертикальной пробирке, при котором пробирку с исследуемой пробой помещают в аппарат Панченкова, и процесс оседания эритроцитов наблюдается визуально, а измерение величины СОЭ проводится через огра ниченный промежуток времени – один час. Скорость падения сферы в жид кости по формуле Стокса прямо пропорциональна разности плотностей сфе ры и жидкости и квадрату радиуса шара и обратно пропорциональна вязко сти жидкости. Измеряя показатель СОЭ и оценивая вязкость плазмы, соот ветствующее уравнение можно решить относительно эффективного диаметра агрегата. Однако скорость оседания сильно зависит от величины гематокрита и температурного фактора. Кроме этого, осаждение в вертикальной пробирке осуществляется при неконтролируемом напряжении сдвига, когда остаются неизвестными факторы образования и распада монетных столбиков агрегатов и значительную роль играет спонтанная агрегация, вызванная влиянием гра витационного поля. Данных недостатков лишен метод определения скорости оседания эритроцитов в наклонных пробирках, однако в виду несоответствия получаемых в этом случае результатов со стандартизированными значениями СОЭ, данный метод не нашел широкого применения. Модификацией анализа СОЭ является оценка скорости оседания эритроцитов в динамике – фракци онное СОЭ. Этот метод более трудоемкий и требует дополнительных вре менных затрат со стороны исследователя. В этом случае одним из рацио нальных решений является использование методов автоматической регист рации и исследования процесса оседания эритроцитов в динамике.

Существует 3 автоматических метода исследования СОЭ в динамике:

1. Кондуктометрический метод;

2. Электрокинетический метод.

3. Фотометрический метод;

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.