Система контроля воздушных включений в плазме крови при гемодиализе

Разработка системы мониторинга крови в процессе гемодиализа предназначена для повышения безопасности проведения процедуры внепочечного очищения и предотвращения тяжелых последствий воздушной эмболии.

мониторинг гемодиализ внепочечный эмболия

Сегодня в мире гемодиализная терапия является единственным «источником жизни» для многих сотен тысяч больных с хронической почечной недостаточностью. Существующая тенденция расширения медико-технических требований к техническому оснащению диализной терапии, поиск новых возможностей аппаратной реализации, необходимость упрощения обслуживания и повышения надежности и автономности аппаратуры - все эти факторы определяют актуальность развития методик внепочечного очищения и их аппаратной реализации [1].

Воздушная эмболия, под которой понимают наличие движущегося сгустка воздуха в кровеносном сосуде, до сих пор является одним из самых серьезных осложнений при гемодиализе примерно в 10 - 20% проводимых процедур [2].

Конструктивно в отечественных и зарубежных кровопроводящих магистралях гемодиализных аппаратов предусмотрены ловушки воздуха, предназначенные для обнаружения и перехвата воздушных включений, которые могут случайно попасть в кровь при недостаточной герметичности соединений или нарушении заданных параметров гемодиализа. Непосредственно на ловушке устанавливается детектор воздуха, контролирующий наличие воздушных включений в крови. Под ловушкой находятся датчик уровня и наружный электромеханический зажим, срабатывающий при нарушении заданных параметров экстракорпоральной циркуляции. Внутри ловушки воздуха расположен сеточный фильтр, предотвращающий попадание мелких тромбов в систему циркуляцию биожидкости [3]. Приведенная совокупность элементов образует систему контроля воздушных включений в крови и является важной частью безопасности параметров гемодиализа.

В настоящее время наиболее распространенными способами контроля крови в процессе гемодиализа является применение оптических и ультразвуковых детекторов [4].

Принцип действия оптических детекторов воздуха основан на измерении интенсивности светового потока, рассеянного частицами, взвешенными в контролируемом растворе - крови. Измеряя интенсивность рассеянного света при фиксированном угле измерения можно сделать вывод о концентрации взвешенных в растворе частиц, в частности воздушных скоплений [5]. Основной причиной, сдерживающей использование оптических детекторов, является тот факт, что они способны обнаруживать относительно крупные скопления воздушных пузырьков, объем которых составляет порядка 0,05 мл и более, оставляя при этом без внимания воздушные включения меньших объемов, не обеспечивая, таким образом, необходимую для данной системы контроля точность измерения.

В работе предлагается система контроля воздушных включений, основу которой составляет ультразвуковой детектор воздуха. На рисунке 1 представлена структурная схема разработанного ультразвукового детектора. Принцип работы основан на фиксации изменения скорости распространения ультразвуковой волны, проходящей через жидкость или газ, вследствие резких различий акустических сопротивлений этих сред [6]. За основу для разработки взят частотно-импульсный метод измерения скорости распространения ультразвука в исследуемой среде (метод синхрокольца). Данный метод обладает достаточно высоким быстродействием и обеспечивает необходимую точность измерения при работе с биологическими жидкостями [7].

Рис.1. - Структурная схема ультразвукового детектора воздуха

Ультразвуковой детектор воздуха состоит из двух частей: передающей и приемной. Расстояние между излучающим и приемным преобразователями устройства (т.е. область анализа) составляет 22 мм. Передающая часть включает в себя задающий генератор, который формирует периодические импульсы с заданными параметрами, и выходной усилитель. Нагрузкой выходного усилителя является пьезоизлучатель. Резонансная частота колебаний составляет 2,5 МГц. Через время t?14 мкс, равное времени прохождения ультразвуковой волной анализируемой среды, сигнал поступает на приемник и возбуждает его. Полученный электрический сигнал поступает на вход широкополосного усилителя, после чего передается на компаратор, непосредственной задачей которого является преобразование пачки гармонических импульсов на выходе усилителя в одиночный импульс некоторого уровня, необходимый для согласования с микроконтроллером. Микроконтроллер обеспечивает и поддерживает работу синхрокольца: он генерирует на выходе одиночный импульс, усиливаемый усилителем и возбуждающий пьезоизлучатель. Пьезоизлучатель генерирует пачку затухающих ультразвуковых импульсов, которые проходят через исследуемую среду и через время t?14 мкс поступают на ультразвуковой приемник. Пачка электрических импульсов с выхода пьезоприемника усиливается и снова преобразуется в одиночный импульс нужного уровня, который поступает на вход микроконтроллера. По приходу этого импульса микроконтроллер генерирует новый импульс на выходе и весь процесс снова повторяется.

Информация о наличии в крови воздушных включений заложена в частоте одиночных импульсов, перемещающихся по синхрокольцу. Для измерения частоты импульсов в микроконтроллере организован частотомер, задачей которого является измерение частоты импульсов и преобразование этой частоты в соответствующее значение сигнала на выходе. На частоту импульсов существенное влияние оказывает скорость прохождения ультразвука через исследуемую среду, они связаны следующей зависимостью:

где L - это база прозвучивания, т.е. расстояние между излучающим и приемным преобразователями; m - частота повторения импульсов; - паразитное время задержки, связанное с особенностями конструктивного выполнения акустических преобразователей и с прохождением импульса по электронной части схемы.

Время прохождения импульса по электрическим цепям прибора (усилители, генератор, кабель) часто не превышает 0,1-0,5 мкс (оно мало по сравнению со временем прохождения акустического импульса через исследуемую среду), поэтому иногда им пренебрегают, сводя, таким образом, формулу (1) к виду:

(2)

Если в пространстве между ультразвуковыми элементами находится только кровь, скорость прохождения ультразвуковых волн будет высокой, соответственно, высокой будет и частота импульсов в синхрокольце; если же в крови имеются воздушные включения, скорость распространения ультразвука снизится, вследствие чего понизится частота импульсов. При снижении скорости ультразвуковых волн, а, следовательно, и частоты импульсов, до некоторого критического уровня на выходе частометра устанавливается уровень логического «0», вследствие чего, происходит срабатывание светового индикатора, свидетельствующего о наличии в крови опасного уровня воздушных включений.

Таким образом, с помощью системы контроля воздушных включений, в основу которой положен разработанный ультразвуковой детектор воздуха, оказывается возможным обнаруживать мельчайшие воздушные скопления в крови, снижая тем самым риск возникновения воздушной эмболии и повышая безопасность проведения гемодиализной терапии.