Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса гемодиализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Степанова, Оксана Сергеевна

• Степанова, Оксана Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанова, Оксана Сергеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1

1.1 Гемодиализная терапия

1.1.1 Технология гемодиализной терапии

1.1.2 Реализация гемодиализа на аппаратах «Искусственная почка»

1.2 Мониторинг процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

1.2.1 Оценка адекватности гемодиализной терапии

1.2.2 Существующие методы мониторинга процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

1.2.3 Уремические маркеры детоксикации процесса гемодиализа

1.3 Мочевая кислота как уремический маркер мониторинга процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

1.3.1 Мочевая кислота

1.3.2 Клиническое значение мочевой кислоты

1.3.3 Современные методы определения концентрации мочевой

кислоты

1.4 Выводы по Главе I

Глава II

2.1 Разработка многоканального автоматизированного спектрофотометра для аналитических исследований жидких биосред

2.1.1 Абсорбционный спектральный анализ низкомолекулярных

биосред

2.1.2 Принцип действия, технические характеристики многоканального автоматизированного спектрофотометра

2.1.3 Градуировка спектрофотометра по линиям излучения ртути в ультрафиолетовой области спектра

2.1.4 Экспериментальная оценка погрешности измерений и обработки спектрограмм

2.2 Экспериментальные исследования проб диализата в течение сеанса гемодиализа с помощью многоканального автоматизированного спектрофотометра

2.3 Выводы по Главе II

Глава III

3.1 Абсорбционный спектральный анализ мочевой кислоты

3.1.1 Исследование спектральных характеристик поглощения растворов мочевой кислоты

3.1.2 Математическая модель спектрального поглощения растворов мочевой кислоты

3.2 Абсорбционный спектральный анализ проб отработанного диализата

3.2.1 Классификация спектральных характеристик поглощения проб отработанного диализата

3.2.2 Математическая модель спектрального поглощения проб отработанного диализата

3.3 Биспектральный метод определение концентрации мочевой кислоты в пробах отработанного диализата

3.4 Выводы по Главе III

Глава IV

4.1 Биспектральная система автоматизированного контроля процесса гемодиализа

4.1.1 Биотехническая система автоматизированного контроля процесса гемодиализа

4.1.2 Конструкционные особенности построения биспектральной системы

4.1.3 Методические особенности измерения спектрального коэффициента поглощения жидких сред при использовании светодиодов в качестве источников излучения

4.1.4 Определение спектральных характеристик удельного поглощения отдельных компонентов диализата: мочевой кислоты и псевдокомпонента Ж

4.1.5 Биспектральная система мониторинга процесса гемодиализа

4.1.6 Информационно-измерительная модель биспектральной системы

4.1.7 Основные технические характеристики биспектральной оптико-электронной системы мониторинга процесса гемодиализа

4.2 Клинические исследования процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

4.2.1 Исследование динамики процесса детоксикации при проведении гемодиализной терапии

4.2.2 Экспериментальная оценка погрешности измерений концентрации мочевой кислоты биспектральной системой мониторинга процесса гемодиализа

4.3 Исследования содержания мочевой кислоты в низкомолекулярных биосредах организма

4.4 Калибровка биспектральной системы

4.5 Выводы по Главе IV

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложения А Инструкция пользователя

Приложение Б Акты внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса гемодиализа»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным способом поддержания жизни больных с терминальной стадией хронической почечной недостаточности (ХПН) является заместительная почечная терапия. Наиболее распространенными в практической медицине методами такой терапии являются классический гемодиализ (ГД) и его модификации, например гемодиафильтрация (ГДФ), реализуемые на аппаратах «Искусственная почка» (ИП).

Гемодиализ - высокотехнологичная процедура, связанная с использованием многокомпонентного оборудования и обеспечивающая возможность проведения экстракорпорального очищения крови больных ХПН от уремических токсинов и удаления излишков воды из организма пациента. Процесс ГД проводится обычно 3 раза в неделю и длится в среднем от 3 до 5 часов в зависимости от рекомендаций лечащего врача.

Несмотря на значительный прогресс в создании нового поколения аппаратов ИП, остается открытым вопрос оценки адекватности диализной терапии. Общепринятый метод оценки адекватности ГД связан с ежемесячным лабораторным анализом проб крови до и после процедуры. Данный подход не позволяет осуществлять непрерывный контроль хода процедуры и коррекцию параметров процесса ГД в режиме реального времени.

Оценить ход диализа позволяет мониторинг содержания в оттекающем диализате элиминировавших из крови субстанций низкой молекулярной массы. Отработанный диализат представляет собой сложную поликомпонентную биосреду, поэтому осуществление мониторинга его состава одновременно по нескольким показателям является на данный момент трудно разрешимой задачей. Среди наиболее значимых маркеров процесса детоксикации в ходе процедуры ГД выделяют мочевину, креатинин и мочевую кислоту.

Существующие на сегодняшний день системы мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин обладают рядом недостатков. Системы, построенные на базе электрохимических датчиков

мочевины, технически сложны, не могут быть интегрированы в диализную машину, требуют применения дорогостоящих расходных материалов. Кондуктометрические системы, в которых измеряется ионный диализанс натрия, а также системы, в которых измеряется коэффициент пропускания диализата на длине волны 285 нм, определяют относительное изменение содержания мочевины.

Наиболее развернуто мониторинг состава диализата реализуется с применением систем, включающих в себя ультрафиолетовый (УФ) спектрофотометр. Проточная кювета спектрофотометра соединена с выходной магистралью аппарата ИП. В ходе сеанса ГД, через равные промежутки времени производится измерение спектра пропускания оттекающего диализата, и по специальному алгоритму рассчитывается концентрация одного или нескольких веществ. Такие системы не требуют применения расходных материалов, не содержат сложных механических или гидравлических узлов. К их недостаткам относят высокую стоимость, сложность спектрофотометра и ряд эксплуатационных проблем.

Одним из возможных путей развития спектрофотометрических систем мониторинга является переход от исследований качественного и количественного состава диализата в широком спектральном диапазоне к анализу пробы в узких участках спектра.

Развитие технологий производства УФ узкополосных твердотельных источников излучения (светодиодов) открывает перспективное направление по созданию компактных сравнительно недорогих оптических датчиков. Возможность интеграции в аппарат ИП систем на основе УФ светодиодов для мониторинга содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате в режиме «on-line» вызывает необходимость разработки новых методов обработки спектральной информации в узких (5... 10 нм) интервалах для контроля процесса

ГД.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование биспектрального метода определения концентрации мочевой кислоты на базе

абсорбционной УФ спектрометрии; создание технических средств, обеспечивающих мониторинг процесса ГД в режиме реального времени.

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, включают в себя следующее:

- установление корреляционной зависимости динамики спектрального поглощения диализата в УФ области и концентраций выводимых токсинов (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД. Обоснование выбора мочевой кислоты в качестве уремического маркера, по которому будет осуществляться мониторинг процесса детоксикации;

- исследование спектральных характеристик поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата, разработка математических моделей спектрального поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата;

- определение информативных диапазонов, определяющих характер спектрального поглощения мочевой кислоты в оттекающем диализате;

- разработка биспектрального метода определения мочевой кислоты в пробах отработанного диализата;

- разработка аппаратных и программных компонентов биспектральной системы для контроля процесса ГД в режиме реального времени;

- экспериментальная апробация биспектральной системы в клинических условиях.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы абсорбционного спектрального анализа по электронным спектрам поглощения, аналитические методы аппроксимации функций многих переменных, методы оптимизации, статистические методы оценки степени достоверности результатов.

Новые научные результаты:

- Предложена методика классификации спектров диализата по форме кривой поглощения, учитывающая индивидуальные особенности УФ спектров поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН и получающих лечение методом ГД.

- При анализе спектров поглощения гемодиализата введено понятие псевдокомпонента ИК, представляющего собой совокупность компонентов, в число которых входят триптофан, гиппуровая кислота, псевдоуридин, аденозин и ряд других, в том числе неидентифициорованных, компонентов. Концентрация этих компонентов невелика, их комбинация, определяет индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата. Экспериментальным путем был получен УФ спектр поглощения псевдокомпонента ЫК.

- Разработан биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты в поликомпонентных средах, основанный на регистрации коэффициентов пропускания в двух узких спектральных диапазонах в УФ области спектра. Предложенный метод учитывает индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата пациентов в пробах диализата.

- Разработана биспектральная система для контроля процесса ГД в режиме реального времени. Конструкция системы представляет собой проточную кварцевую кювету, включенную в выходную магистраль аппарата ИП, через которую попеременно проходит УФ излучение двух светодиодов. Выходные сигналы фотоприемника регистрируются через установленные промежутки времени (не менее 10 с), обрабатываются, и по значениям коэффициентов пропускания диализата в спектральных диапазонах, соответствующих потоку излучения светодиодов, осуществляется мониторинг концентрации мочевой кислоты в процессе сеанса ГД.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Разработанная биспектральная система позволяет осуществлять контроль и оценку эффективности процесса ГД в режиме реального времени.

Предложенная биспектральная методика позволяет проводить анализ низкомолекулярных жидких поликомпонентных сред для нужд клинико-биохимических лабораторий учреждений практического здравоохранения.

Практическая ценность и новизна подтверждается тем, что на основе предложенного метода разработана биспектральная система, защищенная патентом на полезную модель (№ 121373 от 20.10.2012).

Научные положения, выносимые на защиту:

- при организации мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин необходимо учитывать индивидуальные особенности УФ спектров поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН и получающих лечение методом ГД. Одним из возможных критериев классификации индивидуальных особенностей по форме спектрограмм поглощения диализата в области 260...290 нм является знак производной коэффициента поглощения по длине волны;

- для количественного определения содержания мочевой кислоты в низкомолекулярных жидких поликомпонентных средах целесообразно, помимо известного информативного спектрального диапазона в УФ области спектра 285...295 нм, использовать область спектра 260...270 нм;

- биспектральный метод для организации количественного мониторинга мочевой кислоты в ходе процесса ГД в режиме «on-line».

Внедрение результатов работы. Разработанная по результатам исследований биспектральная система внедрена в практику работы отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница» для мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте, что подтверждено актом внедрения. Система была использована для исследования влияния физической нагрузки во время сеанса ГД на процессы детоксикации.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР СПбГЭТУ КЭОП-43, 2012 г., гос. per. №01201155584 («Разработка теоретических основ создания и применения систем квантовой и оптической электроники с использованием нанотехнологий для исследования и неразрушающегося контроля экологических, культурных и биологических объектов», ПСР-КЭОП-2012 (Научно-образовательная платформа «Биомедицинские технологии» «Разработка и исследование двухволнового оптического сенсора для on-line мониторинга состава низкомолекулярных биосред в процессе экстракорпоральной детоксикации», проект 2.1.6-ФЭЛ-КЭОП 2012), НИОКР по теме «Разработка биспектрального метода мониторинга мочевой кислоты в процессе

гемодиализной процедуры» по программе «УМНИК» 2012 г., НИОКР по теме «Разработка оптического сенсора для контроля процесса гемодиализа в режиме реального времени» по программе «УМНИК» 2013г., а также в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2009-2013 гг.); научно-технических конференциях НТОРЭС им. А.С. Попова (2010-2012 гг.); XIV Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM'2011 (Санкт-Петербург, 2011 г.); Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.); Всероссийской научной школе по биомедицинской инженерии БМИ-2009 (Санкт-Петербург, 2009 г.); конференции «Региональная информатика-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.); VIII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии (Санкт-Петербург, 2012 г.); V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк Московской области, 2012 r.);49-th European Renal Association - European Dialysis and Transplant CONGRESS (Париж, 2012 г.); XI Baltic nephrology conference (Тарту, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК, 1 патент, 12 публикаций в трудах международных и национальных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы, включающего 70 наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 22 таблицы.

В первой главе приведены сведения о гемодиализе, как высокотехнологичной процедуре, направленной на поддержание жизни больных с терминальной стадией ХПН. Анализируются современные способы контроля хода

процедуры. Указывается необходимость контроля ГД по параметрам адекватности в режиме реального времени. Рассматриваются существующие разновидности систем мониторинга содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате, выделяются их основные недостатки, препятствующие широкому распространению технических средств мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин в режиме реального времени. Наиболее перспективным признается подход с использованием УФ спектрофотометрии.

Проводится обзор маркеров процесса ГД, среди которых наиболее распространенными в практической медицине являются мочевина, креатинин и мочевая кислота. Основываясь на априорных сведениях о спектральных характеристиках уремических маркеров процесса детоксикации и современном уровне развития твердотельных излучателей в УФ диапазоне, в качестве параметра контроля процесса ГД предлагается использовать концентрацию мочевой кислоты.

Приводятся основные сведения о мочевой кислоте, ее клинической значимости, методах количественного определения в жидких средах. Большинство классических методов определения концентрации мочевой кислоты не соответствует требованиям, необходимым для организации мониторинга мочевой кислоты в оттекающем диализате в режиме реального времени. Фотометрический метод, базирующийся на регистрации абсорбции мочевой кислоты при длине волны 293 нм, применяется в условиях отсутствии влияния других компонентов и не может быть использован для сложной поликомпонентной пробы отработанного диализата. Очевидно, что для определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии необходимо использовать несколько информативных участков спектра, что требует детального спектрального анализа как растворов мочевой кислоты, так и проб оттекающего диализата, взятых в различные фазы сеанса ГД для разных пациентов.

На основании проведенного анализа формулируются цель и основные задачи диссертационного исследования.

Во второй главе обосновывается возможность проведения абсорбционного спектрального анализа проб диализата. Для аналитических исследований жидких биосред разработан спектрофотометр для УФ и видимой области, так как, с одной стороны, именно в этой области находятся электронные полосы поглощения хромофорных групп, связанных со многими метаболитами, а с другой, располагается «окно прозрачности» воды, которая является растворителем во всех жидких средах естественного происхождения. Приводятся результаты градуировки разработанного спектрофотометра по линиям излучения ртути в УФ области спектра, и оценивается погрешность измерений и обработки спектрограмм. Делается вывод, что в диапазоне пропускания 3-ИЮ% погрешность определения коэффициента поглощения не превышает 5%.

Рассматриваются существующие методы количественного абсорбционного спектрального анализа однокомпонентных и поликомпонентных жидких биологических сред (ЖБС) в УФ области спектра.

Разработанный спектрофотометр был использован для абсорбционного спектрального анализа проб диализата, взятых в ходе сеанса ГД. Приводятся спектры поглощения проб диализата для трех пациентов.

Экспериментальные исследования спектрального поглощения проб диализата в течение сеанса ГД доказали обоснованность применения спектрофотометрического метода контроля процесса ГД.

Сопоставление значений спектрального поглощения диализата в УФ области с результатами биохимического анализа концентраций уремических маркеров (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) свидетельствует о тесной корреляции динамики спектрограмм и концентраций выводимых токсинов в ходе сеанса ГД.

Динамика спектров поглощения проб диализата позволяет осуществлять интегральный контроль хода процедуры ГД. Однако для количественной оценки выведения каждого из уремических токсинов по спектральному поглощению диализата требуются дополнительные исследования.

Известно, что максимум спектрального поглощения мочевины находится в области длин волн, короче 200 нм, максимумы поглощения мочевой кислоты расположены в области 238 и 293 нм, креатинина — в области 217 и 234 нм. Анализ формы спектра поглощения проб диализата некоторых пациентов позволяет предположить, что величина спектрального поглощения в области 293 нм связана с концентрацией мочевой кислоты. Однако в спектрах отработанного диализата других пациентов данный максимум размыт или вовсе отсутствует. Очевидно, что использование длины волны 293 нм для количественного анализа мочевой кислоты в диализате (одноволновый метод) ведет к существенной погрешности, так как поглощение диализата на этой длине волны обусловлено влиянием не только мочевой кислоты, но и других компонентов. Для решения задачи количественного анализа мочевой кислоты в пробах диализата на основе абсорбционного спектрального анализа пробы в узких участках спектра необходимо определить дополнительные информативные диапазоны и оценить вклад других компонентов.

В третьей главе определяются и анализируются информативные области спектров растворов мочевой кислоты и проб диализата.

Были подготовлены и исследованы в области длин волн 200...350 нм спектры поглощения серии растворов мочевой кислоты. Диапазон концентраций соответствовал количественному содержанию мочевой кислоты в пробах гемодиализата и составлял 0.05-0.20 ммоль/л.

Анализ характерных максимумов, крутизны отдельных участков и других особенностей формы спектрального поглощения мочевой кислоты позволил разработать математическую модель, позволяющую описать форму экспериментально полученных спектров поглощения с высокой степенью подобия. Методика моделирования формы спектра поглощения раствора мочевой кислоты заключается в суммировании контуров Лоренца (А,тах = 195 нм) и Гаусса (^тах =235, 271, 290 нм).

Подбор комбинаций контуров Гаусса и Лоренца базировался на максимизации подобия исходного спектра и спектра, рассчитанного по

результатам моделирования. При этом количественно степень подобия оценивается по величине коэффициента подобия исходного и восстановленного спектров, представленных в виде векторов значений спектральных коэффициентов поглощения на дискретном наборе длин волн в информативной области спектра. Применение предложенной математической модели обеспечивает достижение значений коэффициента подобия более 999.0.

Спектр, моделирующий удельное поглощение мочевой кислоты, был использован для расчета концентрации данного компонента в растворах. Концентрация мочевой кислоты, рассчитанная для серии растворов по модельному спектру удельного поглощения, отличались от исходных концентраций в пределах 5%.

Изучение особенностей формы спектров поглощения проб диализата более 300 пациентов позволило предложить классификацию спектров по информативным признакам в области 260...290 нм: к типу А отнесены спектры поглощения, форма которых в данной области, описывается функцией dkldX> 0 с максимумом в области 290 нм (-15% от общего числа пациентов); к типу В -спектры, для которых характерна зависимость типа dk/dX^O без явно выраженного максимума (-70% от общего числа пациентов); к типу С - спектры, форма которых имеет спадающий участок в указанной области, при котором dkldX< 0 (—15% от общего числа пациентов).

Следует отметить, что форма спектральной зависимости поглощения диализата для каждого пациента сохранялась практически неизменной на протяжении всего периода исследования (более двух лет).

В области длин волн 260...290 нм форма спектра поглощения определяется присутствием в диализной жидкости мочевой кислоты и совокупности компонентов, условно названной псевдокомпонентом NK. Псевдокомпонент NK формируют триптофан, гиппуровая кислота, псевдоуридин, аденозин и ряд других, в том числе неидентифицированных, компонентов. Концентрация этих компонентов невелика, но их комбинация, связанная, по-видимому, с

индивидуальными процессами метаболизма, и определяет форму полосы поглощения в данной области.

Спектральный анализ в диапазоне длин волн 260...320 нм диализной жидкости пациентов, отнесенных к различным типам, и параллельно проводимые биохимические исследования содержания мочевой кислоты в пробах позволили экспериментально найти форму спектра поглощения для псевдокомпонента ЫК.

Это позволило моделировать формы спектров поглощения диализата согласно предложенной классификации, например, если к экспериментально измеренному спектру, относящемуся к типу В, добавить спектр поглощения ИК моделируется спектр типа С, если вычесть спектр поглощения N.К - моделируется спектр типа А. При этом концентрация мочевой кислоты в модельных и исходном спектрах одинакова. Это обстоятельство дополнительно подтверждает, что определение концентрации мочевой кислоты односпектральным методом по уровню поглощения диализной жидкости на одной длине волны (в области максимума поглощения) неизбежно приводит к искажению результатов.

Для анализа формы спектрального поглощения проб отработанного диализата в области 260...350 нм была применена методика, аналогичная методике моделирования спектров поглощения мочевой кислоты. Результаты анализа показали, что в этой области поглощение диализата определяется поглощением только двух компонентов: мочевой кислоты и псевдокомпонента N1К. Это позволило с высокой степенью подобия воспроизвести формы спектрального поглощения проб диализата, отнесенного к разным типам. При этом удельное спектральное поглощение псевдокомпонента NN. в анализируемом спектральном диапазоне задано в относительных единицах.

Результаты экспериментальных исследований и моделирование формы спектров в области 260...350 нм показали:

-спектральное поглощение диализата в области 285...295 нм в основном обусловлено мочевой кислотой;

-в более коротковолновой области спектральное поглощение диализата обусловлено как мочевой кислотой, так и псевдокомпонентом NK. Оптимальным

для оценки вклада в поглощение псевдокомпонента МК является область 260...270 нм, где удельное поглощение мочевой кислоты минимально.

Основываясь на результатах спектрального анализа спектров поглощения проб гемодиализата и результатах математического моделирования, предложен биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты в пробах диализата. В пределах рекомендованных спектральных областей (285...295 нм и 260...270 нм) выделяются два узких (квазимонохроматических) участка, в которых измеряется спектральное поглощение диализата. Для выделения этих спектральных участков могут быть использованы УФ светодиоды.

Математической основой метода служит закон Бугера-Ламберта-Бера для двухкомпонентной среды.

Предложенный метод был использован для расчета концентрации мочевой кислоты в пробах диализата. В расчетах использовались различные комбинации длин волн в пределах установленных спектральных диапазонов (260...270 нм и 285...295 нм). Сопоставление полученных данных с результатами биохимических исследований для 100 проб показало, что относительная погрешность определения концентрации мочевой кислоты в диализате биспектральным методом не превышает 10%.

В четвертой главе рассматривается применение разработанного метода контроля процесса ГД. Описывается биспектральная система для мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте, ее технические характеристики и алгоритм обработки спектральной информации.

Для практической реализации системы использованы два светодиода: иУТ0Р262Т039Н8 (нитрид галлия-аллюминия, встроенная полусферическая кварцевая линза, длина волны максимума 7^0=262 нм) и иУТ0Р287Т039Н8 (нитрид галлия-аллюминия, встроенная полусферическая кварцевая линза, ^0=287 нм). В качестве приемника использовался солнечно слепой фотоприемник ОиУА-Т1ЮО (нитрид галлия, тип - Шоттки). Источники и приемник монтировались на кварцевой кювете, толщиной 5 мм, подключаемой к выходной магистрали аппарата ИП.

Следует отметить, что полуширина спектра излучения светодиодов составляет 10.. .12 нм. Поэтому измеряемый коэффициент пропускания характеризует свойства диализата не на дискретной длине волны, а в спектральной области излучения светодиодов. Это обстоятельство потребовало уточнения методики расчета спектральных характеристик поглощения диализата, мочевой кислоты и псевдокомпонента ИК в полосах излучения светодиодов.

В начальной фазе мониторинга в выходной магистрали протекает чистый диализат из системы подготовки диализата, являющийся эталоном сравнения, измеряются опорные сигналы на выходе фотоприемника, соответствующие 100% пропусканию. В процессе сеанса, после подключения пациента к аппарату ИП по сигналу таймера, через равные промежутки времени производится регистрация сигналов на выходе фотоприемника, и в модуле управления и обработки данных для каждого канала (на длине волны 262 нм и 287 нм) рассчитываются коэффициенты пропускания диализата в данный момент времени. Полученные данные обрабатываются, и по предложенному методу рассчитывается концентрация мочевой кислоты.

Установка режима мониторинга (длительность процесса, периодичность измерений) и параметров расчета (удельные коэффициенты поглощения компонентов, сухой вес больного, скорость потока диализата, шифр больного), расчет концентрации контролируемых компонентов в диализной жидкости, построение графиков зависимости концентрации, общего количества выведенной из организма больного мочевой кислоты от времени и сохранение результатов мониторинга реализуются с помощью специализированного программного обеспечения, выполняемого в компьютере.

Разработанная биспектральная система проходила клинические испытания в отделении гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница».

Исследования проведены для 23 сеансов ГД у 9 пациентов. Сопоставляются результаты определения концентрации мочевой кислоты в диализате в процессе мониторинга ГД (всего 110 проб) по предложенной методике с помощью

биспектральной системы и по стандартной биохимической методике в лабораторных условиях.

Коэффициент корреляции полученных данных составил 0.987, среднее значение абсолютной погрешности определения концентрации мочевой кислоты 3.6 мкмоль/л, среднеквадратичная погрешность 6.5 мкмоль/л.

Относительная погрешность определения концентрации мочевой кислоты в диализате биспектральной системой не превышает 10%.

Клинические испытания разработанной системы подтвердили возможность применения биспектрального метода мониторинга процесса ГД в режиме реального времени и количественной оценки выведения мочевой кислоты из организма больного по ходу сеанса.

Биспектральная система была использована врачами отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Мариинская больница» для изучения влияния физической нагрузки на концентрацию мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе ГД. Интрадиализные тренировки на велоэргометре проводились с 15 по 60 минуты процедуры. Обследование 10 пациентов показало повышение концентрации выводимого токсина (мочевой кислоты) в пробах отработанного диализата в начале или в середине процедуры физической нагрузки по сравнению с аналогичным периодом покоя, что может быть связано с увеличением количества функционирующих капилляров в работающих мышцах.

В заключении отражены основные результаты работы.

ГЛАВАI

1.1 Гемодиализная терапия

1.1.1 Технология гемодиализной терапии

В настоящее время основным способом поддержания жизни больных с терминальной стадией хронической почечной недостаточности (ХПН) является заместительная почечная терапия. Наиболее распространенными в практическом здравоохранении методами такой терапии является классический гемодиализ (ГД) и его модификации, например, гемодиафильтрация (ГДФ), реализуемые с помощью аппаратов «Искусственная почка» (ИП).

Гемодиализ - высокотехнологичная процедура, связанная с использованием многокомпонентного оборудования экстракорпорального (внеорганизменного) кровообращения и обеспечивающая возможность проведения очищения крови больных хронической почечной недостаточностью от уремических токсинов и удаления излишков воды из организма пациента.

Гемодиализ основан на процессах диффузионного и конвекционного переноса низкомолекулярных соединений по осмотическому градиенту и градиенту концентрации из циркулирующей крови, протекающей через специальное устройство - диализатор, содержащее полупроницаемую мембрану, в диализирующий раствор (диализат). Вследствие этого в процессе ГД происходит элиминация из крови токсических субстанций низкой молекулярной массы и удаление лишней воды. Процедуры ГДФ отличаются тем, что значительная доля выводимых веществ удаляется за счет конвекции, потерянный объем жидкости возмещается больному в виде физиологического раствора.

Технически ГД и ГДФ реализуются с помощью аппарата «Искусственная почка», который является структурно-функциональной моделью экскреторных органов - почек; причем оба варианта процедуры обычно могут проводиться на одной диализной машине. Каждый из аппаратов для гемодиализа включает в себя:

экстракорпоральный и диализный контуры, по которым циркулируют кровь и диализат соответственно; диализатор, где непосредственно происходит процесс очистки крови; системы приготовления чистого диализата и физиологического раствора в режиме «on-line»; блок управления и обработки информации, позволяющий контролировать и регулировать ход процедуры, скорость протекания жидкостей, температуру и состав диализата, величину трансмембранного давления и ультрафильтрации, целостность диализирующей мембраны и ряд других параметров. В современных аппаратах предусмотрена возможность проведения самотестирования основных узлов и программного обеспечения для максимально быстрого определения неисправных элементов.

1.1.2 Реализация гемодиализа на аппаратах «Искусственная почка»

Аппараты «Искусственная почка» разных производителей основаны на одинаковых принципах работы и отличаются только техническими решениями отдельных узлов.

Циркуляция жидкостей в аппарате ИП происходит по двум основным магистралям (контурам): диализной магистрали и магистрали по крови. Схема циркуляции жидкостей в аппарате «Искусственная почка» представлена на рисунке 1.1.

Диализный контур в общем случае состоит из: емкости, содержащей концентрат (КТ); пропорциональный насос (Hi) и устройство смешивания (М); дегазационную камеру (ДК); насос дегазации (Н2); нагреватель (Т); балансировочную камеру (БК); датчики контроля проводимости (Дх) и температуры (Дд); диализатор (ДР); насос откачки (Н4); детектор на разрыв магистрали (Дз).

Магистраль по крови содержит роликовый насос РН; датчики артериального (Д4) и венозного (Д5) давлений; оптический детектор (ОД).

| I Вода ■н Концентрат нн Диализат Кровь

Рисунок 1.1 Схема циркуляции жидкостей в аппарате «Искусственная почка»

Принцип работы аппарата состоит в следующем: вода, поступающая в диализную магистраль, смешивается с концентратом, поступающим из емкости БК, пропорциональным насосом Н1 в определенной пропорции, в результате химического взаимодействия воды и концентрата создается диализат, который нагревается до постоянной температуры нагревателем Т и проходит систему дегазации, далее, через балансную камеру и систему контроля параметров диализата, он поступает в диализатор ДР.

Артериальная кровь больного, подключенного к аппарату, контролируется датчиком артериального давления и движется по магистрали за счет работы роликового насоса РН, и поступает в диализатор ДР.

Диализатор представляет собой камеру, разделенную пополам специальной мембраной, где в противоположных направлениях текут кровь и диализат. За счет отрицательного давления, создаваемого в диализаторе насосом ультрафильтрации Н3, из крови больного в диализат выводятся излишки жидкости и токсины.

Отработанный диализат проходит балансировочную камеру (БК) и сливается, а очищенная кровь, пройдя датчик венозного давления (Д5)и оптический детектор (ОД) возвращается в больного.

При помощи БК по объему входного и выходного диализата (скорость протока диализата постоянна) определяется объем жидкости, выведенной из крови больного.

В случае возникновения разрыва артериальной или венозной магистрали или образования тромба срабатывает один из датчиков контура по крови Д4 или Д5, а в случае разрыва диализной магистрали - датчик Дз, который в любом из этих случаев выдаст сигнал о нарушении процесса гемодиализа.

Химический состав диализата контролируется посредством оценки электропроводности датчиком Дь и, в случае ее расхождения с эталонной, срабатывает система аварийной защиты: клапан К| закрывается, прекращая доступ в диализатор воды, а закрытый клапан К2 открывается и при помощи насоса Н4 вода сливается в сток.

Кровяной контур (магистраль) представляет собой следующее (рисунок 1.2). Насос артериальной крови качает кровь из пациента в диализатор. Давление со стороны всасывания насоса измеряется и контролируется датчиком артериального давления, который отделен гидрофобным фильтром. Если давление превышает или падает ниже установленных пределов, выдается сигнал тревоги: насос артериальной крови останавливается, венозный зажим закрывается, подается визуальный и звуковой сигналы тревоги. Ультрафильтрация останавливается.

Насос гепарина используется, чтобы управлять подачей доз гепарина в кровь по регулируемой норме.

Пациент

Рисунок 1.2 Схема циркуляции крови в кровяном контуре Условные обозначения:

1-внешний гидрофобный фильтр;

2- датчик артериального давления;

3-насос артериальной крови;

4-насос гепарина;

5-уловитель артериальных пузырьков;

6-диализатор;

7а-внешний гидрофобный фильтр; 7Ь-внутренний гидрофобный фильтр;

8-вентиляционный клапан;

9-датчик венозного давления;

10-насос вентиляции;

11 -гидрофобный фильтр;

12-воздушный датчик (уровня);

13-венозный зажим;

14-оптический датчик.

После диализатора кровь входит в воздушную ловушку. Датчик венозного давления отделен двумя гидрофобными фильтрами. Воздушная ловушка расположена в датчике уровня как гарантия против попадания воздуха. Если уровень понижается или если имеется вспенивание крови в воздушной ловушке, подается сигнал тревоги: насос артериальной крови останавливается, венозный зажим закрывается, подается звуковой сигнал тревоги. Ультрафильтрация останавливается.

После воздушной ловушки кровь проходит оптический датчик ОД, который производит различие следующим образом:

- ОД светлый (соляной раствор или воздух в магистрали) или

- ОД темный (кровь в магистрали).

От оптического датчика кровь возвращается к пациенту.

Оптический датчик служит для защиты крови больного от попадания воздуха, и при его наличии в венозной крови также срабатывает аварийная система, и прекращается работа аппарата.

Процесс гемодиализа проводится обычно 3 раза в неделю и длится в среднем от 3 до 5 часов в зависимости от параметров работы установки, вводимых оператором по указанию лечащего врача [29].

Основными параметрами являются:

- скорость потока диализирующего раствора - это константа, принятая во всем мире, равная 500 мл/мин;

- скорость потока крови - эта величина лежит в пределах от 200 до 300 мл/мин;

- количество удаляемой жидкости в час - для процесса гемофильтрации эта величина составляет порядка нескольких килограмм и задается как разность текущего веса больного и веса после последнего гемодиализа, делена на время диализа в часах; для гемодиализа количество удаляемой жидкости значительно меньше;

- время гемодиализа - это ключевой параметр процесса, определяемый лечащим врачом, составляет несколько часов.

Основным узлом аппарата «Искусственная почка» является массообменное устройство - диализатор. В современной аппаратуре используются два основных типа диализаторов - капиллярные и плоскопараллельные (пластинчатые). Наиболее важными характеристиками диализатора являются объем заполнения, тип и площадь полупроницаемой мембраны, клиренс диализатора по одному или нескольким удаляемым веществам. Объем заполнения диализатора связан с площадью мембраны.

Капиллярные диализаторы представляют собой полые волокна с внутренним диаметром около 200 мкм и обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с плоскопараллельными - ламинарный поток крови, низкое внутреннее сопротивление, малый объем заполнения, что обеспечивает малую остаточную потерю крови.

Определенное количество крови неизбежно расходуется на заполнение аппарата, что требует трансфузионной поддержки до начала, во время проведения сеанса гемодиализа и по его завершении.

Материалом мембран служит целлюлоза, ацетатцеллюлоза, а также синтетические материалы - полиакрилнитрил, поликарбонат, полиамид, полиметилметакрилат.

Клиренсом диализатора называют величину численно равную объему крови, очищенной от конкретного токсина в единицу времени при прохождении крови через диализатор; размерность клиренса [мл/мин].

Диализаторы с большей площадью обычно имеют более высокие клиренсы.

На клиренс диализатора влияют многие факторы: скорость кровотока, скорость диализата, молекулярная масса удаляемого вещества и т.д. Например, клиренс диализаторов по мочевине для средне эффективных диализаторов, используемых в обычном гемодиализе, составляет от 140 до 170 мл/мин.

Проницаемость диализатора для воды определяется коэффициентом ультрафильтрации - отношение объема жидкости в мл, прошедшей через мембрану в час, на каждый мм рт. ст. трансмембранного давления. У обычных диализаторов коэффициент ультрафильтрации колеблется от 2 до 8 л/час.

Состав диализата по электролитам должен быть практически идентичен плазме крови [12]. При приготовлении диализата строго придерживаются технологической схемы, состоящей в смешивании диализного концентрата (гиперконцентрированного раствора солей) с дистиллированной водой в пропорции 1:34. На сегодняшний день технология гемодиализа предусматривает два вида диализирующих растворов в зависимости от применяемого буфера: ацетатный, когда в качестве буфера использован ацетат натрия, и бикарбонатный, когда в качестве буфера использован бикарбонат натрия. Качественный состав всех концентратов стандартный. Все применяемые в мировой практике концентраты содержат катионы натрия, калия, кальция и магния, анионы хлора и буфера (бикарбоната или ацетата). Применяются также концентраты, содержащие одновременно оба буфера в определенных долях. Иногда в концентрат добавляют

энергосодержащие и/или осмотически активные компоненты, например глюкозу или манитол.

Количественный состав используемых концентратов различен и определяется не только необходимым фармакологическим воздействием получаемого диализата, но и особенностями аппаратов, на которых он применяется. Поэтому стандартных концентратов не существует, и каждая фирма, выпускающая оборудование, предлагает свои, наиболее подходящие для нее, рецептуры.

Несмотря на то, что физико-химические и физиологические принципы, лежащие в основе гемодиализа, остаются неизменными уже несколько десятков лет, к настоящему времени достигнут значительный прогресс в создании нового поколения аппаратов ИП. Вносимые усовершенствования направлены, главным образом, на упрощение процедуры для медицинского персонала и повышение ее безопасности для больного путем внедрения в аппарат разнообразных сенсоров и создания развитой системы мониторинга по многим параметрам, таким как давление и температура в магистралях, скорости кровотока и потока диализата, осмолярность, проводимость диализата, объем ультрафильтрации, трансмембранное давление и др.

Наличие технических и технологических сложностей при проведении экстракорпорального очищения крови требует непрерывного контроля хода процедуры. Качественно и количественно оценивать ход диализа позволяет непрерывный мониторинг содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате.

Высокая стоимость проведения гемодиализной терапии, а также проблемы с переносимостью диализа пациентами ставят вопрос о повышении эффективности процедуры. При этом эффективность диализа можно определять как количество выведенных уремических токсинов за сеанс при заданных условиях. Очевидно, что невозможно корректировать диализную дозу (длительность процедуры), не контролируя выведение уремических токсинов в режиме реального времени. Поэтому одним из возможных путей повышения эффективности является

организация мониторинга концентраций уремических токсинов в пробах отработанного диализата.

1.2 Мониторинг процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

1.2.1 Оценка адекватности гемодиализной терапии

В настоящее время базовым лабораторным параметром адекватности гемодиализа является диализный индекс по мочевине (Ю;/У), введенный в 1985 году Франком Готчем [42]. В основе индекса лежит математическая модель кинетики мочевины в процессе гемодиализа:

ЭгЮ/У, (1.1)

где К - клиренс по мочевине - представляет собой величину, численно равную объему крови, очищенной от мочевины в единицу времени при прохождении крови через диализатор, размерность [мл/мин]; I - продолжительность процедуры; V - объем распределения мочевины в организме пациента.

Диализный индекс в процессе лечения больного может быть либо оптимальным (равным 1), либо адекватным (1.2... 1.8). Адекватное значение диализного индекса (больше единицы) объясняется тем, что в процессе гемодиализа значение клиренса по мочевине не остается постоянным и к концу диализа существенно уменьшается. Объем распределения мочевины в организме зависит от роста, массы, пола пациента и рассчитывается по антропометрическим формулам. Диализный индекс определяет длительность диализной процедуры.

Таким образом, фактически длительность и параметры гемодиализной процедуры устанавливаются на основе апостериорных данных ежемесячного лабораторного анализа содержания мочевины в пробах крови пациента, взятых в начале и в конце сеанса. Подобный подход не позволяет контролировать, следовательно, и корректировать процесс гемодиализа в режиме реального времени.

Несколькими масштабными исследованиями показано, что величина к1/У коррелирует со многими важнейшими клиническими параметрами, включая

продолжительность жизни на диализе и частоту госпитализаций. В то же самое время индекс kt/V не учитывает многопуловый характер распределения уремических токсинов в организме, а также тот факт, что динамика выведения веществ с большей, чем у мочевины молекулярной массы, и уремических токсинов ассоциированных с белками может существенно отличатся от динамики выведения мочевины. Многими исследователями отмечается, что к настоящему времени индекс kt/V устарел и более эффективным представляется оценка эффективности диализа одновременно по нескольким маркерным субстанциям, а также определение профиля концентрации этих субстанций по ходу сеанса диализа вместо определения концентрации только в начале и конце сеанса. Подобный подход может быть реализован путем установки в выходной магистрали аппарата «Искусственная почка» специальных датчиков для мониторинга концентрации маркерных субстанций в оттекающем диализате.

1.2.2 Существующие методы мониторинга процесса детоксикации в ходе

процедуры гемодиализа

К настоящему времени существует три основных разновидности систем мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин, осуществляющих измерения в режиме реального времени.

1. Системы, построенные на базе электрохимических датчиков мочевины.

Примером таких систем служит монитор Baxter Biostat. В приборе Biostat пробы диализного раствора регулярно через равные промежутки времени 15...30 мин отбираются из выходной магистрали аппарата ИП и направляются к ионоселективному электроду, чувствительному к аммонию. Электрод покрыт колпачком, содержащим фермент - уреазу. При контакте пробы с колпачком вырабатывается аммоний, который диффундирует через колпачок к электроду. Калибровка датчика мочевины проводится по двум стандартным растворам. Объем с калибровочными растворами, совместно с колпачком, заменяется через каждые 20 измерений. Прибор позволяет измерить начальную концентрацию

мочевины в крови пациента до начала сеанса ГД, для чего аппарат ИП включается в режим изолированной ультрафильтрации в начальной фазе сеанса.

Подобные системы обеспечивают контроль только по одному маркеру уремии - мочевине, технически сложны, отличаются высокой стоимостью, не могут быть интегрированы в диализную машину, требуют применения расходных материалов, стоимость которых сопоставима со стоимостью самой процедуры гемодиализа, в связи с чем широкого распространения не получили и используются исключительно в исследовательских целях.

2. Кондуктометрические системы измерения ионного диализанса натрия, который при стандартном диализе эквивалентен клиренсу мочевины.

Такой подход используется в модуле On-line Clearance Monitor (ОСМ -«Fresenius», Германия), интегрированном в аппараты ИП Fresenius 4008 Н со встроенной системой мониторинга клиренса в режиме «on-line». В ходе сеанса ГД происходит изменение проводимости диализата, которое фиксируется на входе и выходе диализатора прецизионными датчиками, пересчитывается в величину клиренса по мочевине и выводится на экран аппарата.

Недостатком данной системы является невозможность определения профиля концентрации отдельных уремических маркеров.

3. Системы, в основе которых лежит измерение спектрального пропускания оттекающего диализата в ультрафиолетовой (УФ) области спектра.

В настоящее время система на основе светодиода с длиной волны излучения 285 нм используется в системе мониторинга Adimea, BBraun (Германия). Принцип работы системы основывается на корреляционной связи между относительным изменением уровня поглощения диализата на длине волны 285 нм и относительным изменением концентрации мочевины. Недостатки системы Adimea в целом аналогичные недостаткам устройств, в которых измеряется ионный диализанс натрия: невозможность определения профиля концентрации отдельных уремических маркеров по ходу сеанса гемодиализа.

Наиболее развернуто мониторинг состава диализата реализуется с применением систем, включающих в себя УФ спектрофотометр на основе вогнутой решетки и многоэлементные линейки фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС) [2]. В спектрофотометр устанавливается проточная кювета, включенная в выходную магистраль аппарата ИП. В ходе сеанса гемодиализа, через равные промежутки времени производится измерение спектра пропускания оттекающего диализата и по специальному алгоритму рассчитывается концентрация одного или нескольких веществ. Такие системы были созданы, но широкого распространения не получили из-за высокой стоимости спектрофотометра и ряда эксплуатационных проблем.

Подобные системы имеют целый ряд преимуществ перед устройствами на основе электрохимических и кондуктометрических датчиков: позволяют определять концентрацию одновременно нескольких компонентов диализата в режиме «on-line», не требуют применения расходных материалов, не содержат сложных механических или гидравлических узлов. Следует отметить, что применение спектрофотометрических методов для определения концентрации мочевины затрудняется тем, что полоса поглощения мочевины находится в области длин, волн короче 180 нм.

Системы мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин могут оценивать содержание проб отработанного диализата как количественно, так и качественно. Основные показатели, по изменению значений концентраций которых можно контролировать ход гемодиализной процедуры, будут рассмотрены в следующем разделе.

1.2.3 Уремические маркеры детоксикации процесса гемодиализа

Наиболее полные результаты по оценке эффективности диализной терапии были получены методами высокоэффективной жидкостной хроматографии [65]. В таблице 1.1 представлены важнейшие маркеры детоксикации в ходе процедуры ГД с указанием уровня их содержания в пробах сыворотки крови в начале и в

конце процедуры (для расчетов использовались данные, полученные в течение 65 диализных сеансов для 11 пациентов).

Таблица 1.1- Содержание наиболее значимых маркеров детоксикации в пробах

сыворотки крови в начале и в конце процедуры ГД [65]

Наименование маркера Единица измерения Концентрация в сыворотке крови

в начале процедуры в конце процедуры

Мочевая кислота мкмоль/л 410±74 128±42

р-Гидроксигиппуровая кислота мкмоль/л 24±21 8±6

Гиппуровая кислота мкмоль/л 272±154 97±55

Неидентифицированное соединение 1 отн.ед. 1,7±0,8 0,6±0,3

Мочевина ммоль/л 12±4 5±2

Неидентифицированное соединение 2 отн.ед. 1,4±0,6 0,6±0,4

Креатинин мкмоль/л 1052±356 482±217

Псевдоуридин мкмоль/л 38±8 20±6

Фосфаты ммоль/л 1,8±0,4 1,0±0,2

Калий ммоль/л 4,9±0,8 3,4±0,6

Гипоксантин мкмоль/л 15±12 10±3

Ксантин мкмоль/л 10±5 7±3

Индоксил сульфат мкмоль/л 34±35 30±16

Авторами Raymond С. Vanholder, Rita V., De Smet отмечается высокая

корреляция выведения мочевины, креатинина и мочевой кислоты.

В практической медицине адекватность процедуры гемодиализа контролируется ежемесячными и ежеквартальными лабораторными анализами. При этом из вышеуказанных маркеров в лечебных учреждениях фактически имеется возможность проводить анализы по установлению концентрации мочевины, креатинина, мочевой кислоты, калия и фосфатов.

Очевидно, что целесообразно организовывать мониторинг уже элиминировавших низкомолекулярных токсических субстанций, так как установка устройства для определения концентрации удаляемых токсинов в экстракорпоральном контуре влечет за собой ограничение количества возможных образцов для исследования и сложности с подготовкой проб крови, что фактически исключает режим мониторинга.

Отработанный диализат представляет собой сложную поликомпонентную биосреду, поэтому осуществление мониторинга его состава одновременно по нескольким показателям является на данный момент трудно разрешимой задачей. Ранее отмечалось, что наиболее развернуто мониторинг состава диализата реализуется с применением систем, включающих в себя УФ спектрофотометр. Одним из возможных путей развития спектрофотометрических систем мониторинга является переход от исследований качественного и количественного состава диализата в широком спектральном диапазоне к анализу пробы в узких участках спектра.

Развитие технологий производства светодиодов в средней УФ области спектра открывает перспективное направление по созданию компактных сравнительно недорогих оптических датчиков. Разработанные в последние годы УФ светодиоды обладают высокой температурной стабильностью и малым энергопотреблением. Возможность интеграции в аппарат ИП систем на основе УФ светодиодов для мониторинга содержания уремических маркерных субстанций в оттекающем диализате в режиме «on-line» вызывает необходимость разработки новых методов обработки спектральной информации в узких (5... 10 нм) интервалах для контроля процесса ГД.

Основываясь на априорных сведениях о спектральных характеристиках уремических маркеров процесса детоксикации и современном уровне развития твердотельных излучателей в УФ диапазоне, в качестве параметра контроля процесса ГД предлагается использовать концентрацию мочевой кислоты.

1.3 Мочевая кислота как уремический маркер мониторинга процесса детоксикации в ходе процедуры гемодиализа

1.3.1 Мочевая кислота

Мочевая кислота (2,6,8-триоксипурин, C5H4N4O3; М=168.12 D) - основной продукт катаболизма пуриновых нуклеозидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, макроэргических соединений (аденозинтрифосфатов,

аденозиндифосфатов), аденозинмонофосфатов, некоторых витаминов [17]. Из эндогенных нуклеозидов в организме человека формируется около 500 мг мочевой кислоты в сутки, из поступающих с пищей образуется примерно 200 мг.

На рисунке 1.3 представлена упрощенная схема, показывающая процесс образования мочевой кислоты.

Рисунок 1.3 Образование мочевой кислоты

Большая часть (75%) мочевой кислоты, поступившей из ткани в кровь, выделяется в дальнейшем с мочой; оставшаяся доля экскретируется с калом. Мочевая кислота проходит через фильтрационный барьер почечных телец, одновременно реабсорбируясь в канальцах. Эпителий проксимальных канальцев способен секретировать мочевую кислоту в мочу, но и в этом случае мочевая кислота реабсорбируется в их дистальных отделах. Мочевая кислота, остающаяся в проксимальном канальце после фильтрации, реабсорбции и секреции, выделяется с мочой и составляет приблизительно 10% от ее количества, поступившего в нефрон.

Мочевая кислота во внеклеточной жидкости, в том числе и плазме, присутствует в виде солей натрия (ураты) в концентрации, близкой к насыщению, поэтому существует возможность кристаллизации урата натрия, если концентрация мочевой кислоты превысит максимум нормальных значений.

В таблицах 1.2 и 1.3 представлены диапазоны концентраций мочевой кислоты в норме для сыворотки крови и проб мочи соответственно [31].

Таблица 1.2 - Содержание мочевой кислоты в сыворотке в норме

Возраст Пол Содержание мочевой кислоты в сыворотке

мг/100 мл ммоль/л

До 60 лет Мужчины 4.5-8.2 0.27-0.48

Женщины 3.0-6.5 0.18-0.38

После 60 лет Мужчины 4.2-8.0 0.25-0.47

Женщины 3.2-7.3 0.19-0.43

Таблица 1.3 - Содержание мочевой кислоты в моче в норме

Диета Пол Содержание мочевой кислоты в моче

мг/сут. ммоль/сут.

Обычная диета Мужчины 250-750 1.48-4.43

Женщины 250-750 1.48-4.43

Беспуриновая диета Мужчины <420 <2.48

Женщины <400 <2.36

1.3.2 Клиническое значение мочевой кислоты

Распространенность нарушений пуринового обмена в последние десятилетия значительно возросла и регистрируется у 5-20% обследованных. В то же время, лишь у 10-20% из этой группы обнаруживают клинически выраженные проявления патологий, в большинстве случаев изменение уровня концентрации мочевой кислоты в биосредах организма протекает бессимптомно [28]. Нарушение обмена мочевой кислоты сопровождается либо повышением (гиперурикемия), либо снижением (гипоурикемия) ее продукции.

Гиперурикемию рассматривают как один из факторов риска развития артериальной гипертензии, атеросклероза, поражения почек и ряда других заболеваний, что диктует необходимость своевременного распознавания расстройств пуринового обмена. В практической деятельности подобные расстройства остаются, в большинстве случаев, недооцененными. Механизмы развития гиперурикемии при многих заболеваниях остаются недостаточно изученными, вследствие чего возникает необходимость в более детальном обследовании подобных больных.

Выраженная и продолжительная гиперурикемия - условие для развития подагры. Патофизиологическая основа заболевания - кристаллизация уратов из насыщенных биологических жидкостей. Болезнь квалифицируют как первичную подагру, если в ее основе лежат врожденные нарушения метаболизма мочевой кислоты. Гиперпродукцию мочевой кислоты, обусловленную наследственным увеличением синтеза пуринов, отмечают у 25% пациентов с гиперурикемией.

Вторичная подагра возникает, ели гиперурикемия развивается в результате другого патологического процесса, например, усиленного распада лимфоидных клеток при лейкозе и лимфоме при применении цитостатиков. Подагра может быть следствием недостаточности естественных механизмов выделения мочевой кислоты почками. Гиперурикемию можно наблюдать при сахарном диабете, остром алкоголизме, врожденном дефиците глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, избыточной продукции лактата. В любых ситуациях сначала происходит поражение суставов.

Кроме того, популяционные исследования выявили значимую корреляцию гиперурикемии с ожирением, атеросклерозом, гипертриглицеридемией. Указывается на отчетливую связь гиперурикемии и ишемической болезни сердца. Отмечена зависимость между уровнем мочевой кислоты и бета-липопротеинов, мочевой кислоты и холестерина.

Повышение уровня мочевой кислоты в крови вызывают пища, богатая пуринами (печень, почки), длительное лечение голоданием (вследствие кетоза), алкоголь, мочегонные препараты (у 75% больных, принимавших диуретики), продолжительная терапия салуретиками.

В ряде клинических ситуаций приходится встречаться с гипоурикемией (содержание мочевой кислоты в крови ниже 0.12 ммоль/л). Это может быть связано с недостаточностью ксантиноксидазы, другими более редкими врожденными нарушениями метаболизма, дефектом механизма реабсорбции мочевой кислоты в канальцах, влиянием препаратов, способствующих экскреции мочевой кислоты с мочой. Пониженный уровень мочевой кислоты в сыворотке крови отмечают при гепатолентикулярной дегенерации, некоторых

злокачественных новообразованиях (лимфогранулематозе, бронхогенном раке), болезни Вильсона-Коновалова и синдроме Фанкони.

Гиперуратурия (увеличение содержания мочевой кислоты в моче) отмечается при подагре, лейкозах (включая период после лечения цитотоксическими препаратами), серповидноклеточной анемии, полицитемии, вирусном гепатите; гипоуратурия (уменьшение концентрации мочевой кислоты в моче) - при ксантинурии, свинцовой интоксикации.

Для получения более надежной информации об уровне мочевой кислоты в биологических жидкостях следует за трое суток до исследования исключить богатую пуринами пищу (мясную, жирную) и медикаменты [16].

1.3.3 Современные методы определения концентрации мочевой кислоты

Среди известных методов количественного определения концентрации мочевой кислоты различают следующие группы методов [39]:

• химические с колориметрическим завершением, основанные на способности мочевой кислоты давать окрашенные соединения за счет восстановления фосфорновольфрамовой, мышьяково-молибденовой кислоты, железосинеродистого калия и некоторых других веществ; участвовать в фенолгипохлоритной реакции; взаимодействовать с реактивом Фолина-Дениса;

• энзиматические, основанные на способности фермента уриказы расщеплять мочевую кислоту до аллантоина;

• прямые фотометрические, базирующиеся на регистрации абсорбции мочевой кислоты при длине волны 293 нм при отсутствии влияния в указанной спектральной области других компонентов [51];

• хроматографические с последующим количественным определением мочевой кислоты фотометрическим или электрохимическим методами [45];

• электрохимические биосенсоры, в основе построения которых могут быть электроды с иммобилизованной уриказой или другие модификации [30, 53].

Кроме того, в литературе упоминаются методы энзиматического спектрофлюориметрического определения содержания мочевой кислоты

(связанное с использованием р-гидроксифенилуксусной кислоты в качестве флюорофора), использование масс-спектрометрии с изотопным разведением, а также калориметрические ферментные исследования, состоящие в измерении количества теплоты, выделенной в процессе протекания реакции с участием ферментов уриказы и каталазы. Однако данные методы широкого распространения не получили.

Из приведенного выше обзора существующих методов количественного определения мочевой кислоты в жидких биологических средах можно заключить, что ни один из методов не соответствует в полной мере ряду требований, необходимых для организации мониторинга в режиме реального времени. Такими требованиями, прежде всего, являются простота и надежность методики измерения, отсутствие необходимости в использовании реактивов, возможность автоматизации, компактность и мобильность измерительных блоков.

1.4 Выводы по Главе I

Гемодиализ - высокотехнологичная процедура, направленная на поддержание жизни больных с терминальной стадией хронической почечной недостаточности.

Качественно и количественно оценивать ход диализа позволяет непрерывный мониторинг содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате.

Существующие на сегодняшний день разновидности систем мониторинга состава диализата в выходной магистрали диализных машин не получили широкого распространения из-за технических сложностей, высокой стоимости или относительности оценки выведения уремических токсинов.

Наиболее перспективным признается подход с использованием УФ спектрофотометрии. Одним из возможных путей развития спектрофотометрических систем мониторинга является переход от исследований качественного и количественного состава диализата в широком спектральном диапазоне к анализу пробы в узких участках спектра.

Развитие технологий производства УФ узкополосных твердотельных источников излучения (светодиодов) открывает перспективное направление по созданию компактных сравнительно недорогих оптических датчиков. Возможность интеграции в аппарат ИП систем на основе УФ светодиодов для мониторинга содержания маркерных субстанций в оттекающем диализате в режиме «on-line» вызывает необходимость разработки новых методов обработки спектральной информации в узких (5... 10 нм) интервалах для контроля процесса

гд.

Осуществление мониторинга состава диализата одновременно по нескольким маркерным субстанциям является на данный момент трудно разрешимой задачей. Основываясь на априорных сведениях о спектральных характеристиках уремических маркеров и современном уровне развития твердотельных излучателей в УФ диапазоне, в качестве параметра контроля процесса детоксикации в ходе сеанса ГД предлагается использовать концентрацию мочевой кислоты.

Большинство классических методов определения концентрации мочевой кислоты не соответствует требованиям, необходимым для организации мониторинга мочевой кислоты в оттекающем диализате в режиме реального времени. Прямой фотометрический метод, базирующийся на регистрации абсорбции мочевой кислоты при длине волны 293 нм, применяется в условиях отсутствии влияния других компонентов и не может быть использован для сложной поликомпонентной пробы отработанного диализата. Очевидно, что для определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии необходимо использовать несколько информативных участков спектра, что требует детального спектрального анализа как растворов мочевой кислоты, так и проб оттекающего диализата, взятых в различные фазы сеанса ГД для разных пациентов.

Кроме того, следует отметить, что в клинической практике биохимические анализы по установлению концентрации мочевой кислоты выполняются достаточно часто и являются рутинным лабораторно-диагностическим

исследованием. Поэтому разработка нового метода и технических средств количественного определения содержания мочевой кислоты в низкомолекулярных биопробах, таких как сыворотка крови и моча, может получить распространение в медицинских лабораторных исследованиях.

На основании проведенного анализа формулируются цель и основные задачи диссертационного исследования.

Цель работы - разработка и исследование биспектрального метода определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии; создание технических средств, обеспечивающих мониторинг процесса ГД в режиме реального времени.

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, включают в себя следующее:

- установление корреляционной зависимости динамики спектрального поглощения диализата в УФ области и концентраций выводимых токсинов (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД. Обоснование выбора мочевой кислоты в качестве уремического маркера, по которому будет осуществляться мониторинг процесса детоксикации;

- исследование спектральных характеристик поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата, разработка математических моделей спектрального поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата;

- определение информативных диапазонов, определяющих характер спектрального поглощения мочевой кислоты в оттекающем диализате;

- разработка биспектрального метода определения мочевой кислоты в пробах отработанного диализата;

- разработка аппаратных и программных компонентов биспектральной системы для контроля процесса ГД в режиме реального времени;

- экспериментальная апробация биспектральной системы в клинических условиях.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Степанова, Оксана Сергеевна

4.5 Выводы по Главе IV

На основе биспектрального метода количественного определения мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах была разработана биспектральная оптико-электронная система с двумя УФ светодиодами.

Для практической реализации системы использованы два светодиода: иУТОР262ТОЭ9Н8 (нитрид галлия-аллюминия, встроенная полусферическая кварцевая линза, длина волны максимума А

Источники и приемник монтировались на кварцевой кювете, толщиной 5 мм, подключаемой к выходной магистрали аппарата ИП.

Клинические испытания системы доказали возможность осуществления мониторинга процесса детоксикации в режиме реального времени с количественной оценкой динамики выведения мочевой кислоты по ходу сеанса ГД. Результаты концентраций мочевой кислоты, полученные биспектральной системой, соотносятся с данными биохимического анализа в пределах погрешности 10%.

Биспектральная система, осуществляющая мониторинг концентрации мочевой кислоты в пробах отработанного диализата в режиме реального времени, использовалась при исследовании влияния физической нагрузки на процессы детоксикации в ходе сеанса ГД.

Серия дополнительных экспериментов определения концентрации мочевой кислоты в пробах мочи показала возможность использования биспектрального метода для количественного анализа содержания мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах организма.

Разработанная система для количественного анализа состава двухкомпонентных сред может быть интегрирована в более сложные аналитические системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью разработан и исследован биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты на базе абсорбционной УФ спектрометрии; создана биспектральная система, обеспечивающая мониторинг процесса ГД в режиме реального времени.

Для количественного определения содержания мочевой кислоты в низкомолекулярных жидких поликомпонентных средах предложено использовать помимо известного информативного спектрального диапазона в УФ области спектра 285. .295 нм, область спектра 260. .270 нм.

В диссертационной работе:

1. Установлена корреляционная зависимость динамики спектрального поглощения диализата в УФ области и концентраций выводимых токсинов (мочевины, креатинина, мочевой кислоты) в ходе сеанса ГД.

2. Исследованы спектры поглощения проб отработанного гемодиализата. В УФ спектрах поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН, обнаружены индивидуальные особенности, сохраняющиеся в течение продолжительного времени (более двух лет), предложена методика классификации спектров диализата по форме кривой поглощения.

3. Выявлены и сопоставлены информативные диапазоны в спектрах поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата;

4. Разработаны математические модели спектрального поглощения растворов мочевой кислоты и проб диализата.

5. Введено понятие псевдокомпонента Апредставляющего собой совокупность нескольких компонентов. Комбинация этих компонентов определяет индивидуальные особенности формы спектрального поглощения диализата. Экспериментальным путем был получен УФ спектр поглощения псевдокомпонента ЫК.

6. Разработан биспектральный метод определения мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах, основанный на регистрации коэффициентов пропускания в двух узких спектральных диапазонах в УФ области спектра. 260.270 нм и 285.295 нм.

7. Разработана методика организации количественного мониторинга мочевой кислоты в процессе ГД в режиме реального времени на базе твердотельных излучателей в УФ диапазоне.

8. Разработана биспектральная система с двумя УФ светодиодами (максимумы излучения 262 нм и 287 нм соответственно) для количественного определения мочевой кислоты в оттекающем диализате.

9. Испытания биспектральной системы показали возможность осуществления мониторинга процесса детоксикации в режиме реального времени с количественной оценкой динамики выведения мочевой кислоты по ходу сеанса ГД. Данные о концентрации мочевой кислоты, полученные биспектральной системой, соотносятся с результатами биохимического анализа в пределах погрешности 10%.

10. Биспектральная система, осуществляющая мониторинг концентрации мочевой кислоты в пробах отработанного диализата в режиме реального времени, использовалась при исследовании влияния физической нагрузки на процессы детоксикации в ходе ГД.

11. Серия дополнительных экспериментов по определению концентрации мочевой кислоты в пробах мочи показала, что биспектральный метод может быть использован для количественного анализа содержания мочевой кислоты в поликомпонентных биосредах организма. гд

ГДФ ип

ПК УФ ФПЗС хпн

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанова, Оксана Сергеевна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Василевский, A.M. Анализ низкомолекулярных фракций жидких биологических сред по УФ спектрам экстинкции [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, Е.А. Усова // Вестник аритмологии, Материалы конгресса. -2010.-е. 537.

2. Василевский, A.M. Информационно-измерительная система мониторинга сеанса гемодиализа по спектрам экстинкции в УФ области спектра / A.M. Василевский // Информационно-управляющие системы. - 2003. - №1. - с. 40-46.

3. Василевский, A.M. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты в биосредах [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // 64-я Научно-техническая конференция ППС СПбГЭТУ, Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2011. -с. 205-210.

4. Василевский, A.M. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты в биосредах [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // 66-я Научно-техническая конференция СПбНТОРЭС им. A.C. Попова, труды конференции. - 2011. - с. 362-363.

5. Василевский, A.M. Исследование спектральных характеристик поглощения мочевой кислоты в биосредах [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2012. - № 1 -с. 62-65.

6. Василевский, A.M. Исследование влияния интрадиализной физической нагрузки у больных тХПН на концентрацию мочевой кислоты в диализате аппарата «Искусственная почка» с помощью биспектрального оптического сенсора [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, A.B. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, А. Frorip // Сборник материалов (2 т.) V Троицкой конференции «Медицинская

физика и инновации в медицине», г. Троицк Московской области. -2012.-е. 242244.

7. Василевский, A.M. Оптико-физические методы сбора, регистрации и обработки спектральной информации о составе жидких биологических сред [Текст]: учебное пособие / A.M. Василевский, Е.П. Попечителев. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - 88 с.

8. Василевский, A.M. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, Е.А. Усова // 64-я Научно-техническая конференция СПбНТОРЭС им. A.C. Попова, труды конференции. - 2009. - с. 229-231.

9. Василевский, A.M. Применение биспектрального оптического сенсора для мониторинга концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе гемодиализа при дозированной физической нагрузке [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, A.B. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, A. Frorip // Труды VIII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии, Санкт-Петербург. -2012.-е. 64-66.

10. Василевский, A.M. Применение биспектрального оптического сенсора для мониторинга концентрации мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе гемодиализа при дозированной физической нагрузке [Текст] / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко, A.B. Комашня, К.А. Вишневский, Р.П. Герасимчук, I. Neivelt, A. Frorip // Труды конференции «Региональная информатика», Санкт-Петербург, изд-во СПОИСУ. - 2012. - с. 278.

11. Василевский, A.M. Биспектральная оптоэлектронная система мониторинга процесса гемодиализа [Текст] / A.M. Василевский, К.А. Вишневский, А.Ю. Земченков, A.B. Комашня, Г.А. Коноплев, О.С. Степанова, А. Фрорип // Биотехносфера.-2013.-№ 1.-е. 7-15.

12. Гемодиализ для специалистов [HTML] - Режим доступа: http://www.hdl3.ru, свободный.

13. Даниэльс, Ф. Физическая химия [Текст] / Ф. Даниэльс, Р. Олберти; перевод с англ. под ред. К. В. Топчиевой - М.: Мир, 1978. - 398 с.

14. Досон, Р. Справочник биохимика [Текст] / Р. Досон, Д. Эллиот, У. Элиот, К. Джонс; перевод с англ. - М.: Мир, 1991. - 544с.

15. Зайдель, А.Н. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета [Текст] / А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер. - М.: Наука, 1967. - 471 с.

16. Камышников, B.C. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике в 2 т. Т. 1. [Текст] / B.C. Камышников. - Мн.: Беларусь, 2000. - 495 с.

17. Клиническая биохимия [Текст] / Под ред. В.А. Ткачука. - 2 изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - 512 с.

18. Лопатенко, О.С. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / О.С. Лопатенко // Сборник трудов молодых учёных «Всероссийская научная школа по биомедицинской инженерии БМИ - 2009». -2009.-с. 193-200.

19. Лопатенко, О.С. Поликомпонентный анализ состава мочи по УФ спектрам экстинкции [Текст] / О.С. Лопатенко, Е.А. Усова //, Сборник трудов молодых учёных «Всероссийская научная школа по биомедицинской инженерии БМИ - 2010», - 2010. - с. 225-233.

20. Лопатенко, О.С. Биспектральный анализ содержания мочевой кислоты в биосредах [Текст] / О.С. Лопатенко // Вестник аритмологии, Материалы конгресса. -2012.-е. 488.

21. Пат. 2212029 С01 GO 1 N21/33. Способ анализа жидкой биологической среды в процессе мониторинга / A.M. Василевский, Н.В. Корнилов, К.Я. Гуревич, A.A. Соколов; заявитель и патентообладатель ООО «Клиника экстракорпоральной гемокоррекции». - №2001132658/28; заявл. 03.12.2001; опубл. 10.09.2003.

22. Пат. 2161791 С02 G01N21/31. Устройство для мониторинга жидкой биологической среды / A.M. Василевский, Н.В. Корнилов; заявители и

патентообладатели A.M. Василевский, Н.В. Корнилов. - №98123692/28; заявл. 30.12.1998; опубл. 10.01.2001.

23. Пат. WO 2009/071102 A1 РСТ G01N21/33, G01N33/487, А61М1/16. Optical method and device for measuring concentrations of substances in biological fluids / Ivo Fridolin, Jana Jerotskaja, Kai Lauri, Merike Luman; appl. Tallinn university of technology. - fil. 04.12.2008; publ. 11.06.2009.

24. Пат. US 2010/0165324 A1 USA G01N33/48. Raman spectroscopic monitoring of hemodialysis / M. Edward Womble, Richard H. Clarke; appl. Prescient Medical, Inc. - fil. 22.12.2009; publ. 10.07.2010.

25. Пат. US 6,666,840 B1 USA A61M37/00. Methods for determining wate products in the dialysis liquid in dialysis treatment / Thore Falkvall, Lars-Olof Sandberg, Ivo Fridolin, Lars-Goran Lindberg; appl. Althin Medical AB. - fil. 04.06.1999; publ. 23.12.2003.

26. П.м. 121373 Российская Федерация, МПК U01 G01N33/487, GO 1 N21/33. Устройство для мониторинга процесса гемодиализа / A.M. Василевский, Г.А. Коноплев, О.С. Лопатенко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). - №2012121111/15; заявл. 22.05.2012; опубл. 20.10.2012.

27. Свердлова, О.В. Электронные спектры в органической химии [Текст] / О.В. Свердлова. - Л.: Химия, 1985. - 248 с.

28. Тиле, П. Эпидемиология и патогенез нарушений пуринового обмена [Текст] / П. Тиле, X. Е. Шредер // Тер. арх. - 1987. - Т. 59 (№ 4) - с. 14 -18.

29. Чупрасов, В.Б. Программный гемодиализ [Текст] / В.Б. Чупрасов. -СПб: Изд-во «Фолиант», 2001. - 256 с.

30. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение мочевой кислоты на электроде, модифицированном самоорганизующимся монослоем цистамина с наночастицами золота [Текст] / Л.Г. Шайдарова, Е.И.Романова, И.А. Челнокова, А.В. Гедмина, Г.К. Будников // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2010. - Т. 152 - кн.1. - с. 71-78.

31. Энциклопедия клинических лабораторных тестов [Текст] / Под ред. Н. Тиц; перевод с англ. - М.: Лабинформ, 1997. - 960 с.

32. Arslan, F. An amperometric biosensor for uric acid determination prepared from unease immobilized in polyaniline-polypyrrole film / F. Arslan // Sensors. - 2008. - vol. 8. - p. 5492-5500.

33. Bland, J.M. Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement / J.M. Bland , D.G. Altman // The Lancet. - 1986. -vol. 8. - p.307-310.

34. Castellarnau, A. Real-time Kt/V determination by ultraviolet absorbance in spent dialysate: technique validation / A. Castellarnau, M. Werner, R. Günthner, M. Jakob // Kidney Int. - 2010. - vol. 78(9). - p. 920-925.

35. Eddy, Christopher V. Near-Infrared Spectroscopy for Measuring Urea in Hemodialysis Fluids / Christopher V. Eddy, Mark A. Arnold // Clinical Chemistry. -2011.-vol. 47.-p. 1279-1286.

36. Clinical Chemistry Methods Guide 2010 for labquality data processing -Helsinki: Labquality, 2010. - 101 p.

37. Daugirdas, J.T. Automated monitoring of hemodialysis adequacy by dialysis machines: potential benefits to patients and cost savings / J.T. Daugirdas, J.E. Tattersall // Kidney Int. - 2010. - vol. 78(9). - p. 833-835.

38. De Smet, R. p-cresol and uric acid: two old uremic toxins revisited / R. De Smet, G. Glorieux, C. Hsu, R. Vanholder // Kidney Int. - 1997. - vol. 62. - p. 8-11.

39. Estudio de los procesos patologicos de cristalización: litiasis renal, calcificaciones cardiovasculares y osteoporosis // Tesis Doctoral Pilar Sanchis Cortes, Palma de Mallorca - 2008. - 255 p.

40. Filutowicz, Z. Remarks on spectra-photometric monitoring of urea in dialysate / Z. Filutowicz, K. Lukaszewski, K. Pieszyñski // Journal of MIT. - 2004. -vol. 8.-p. 105-110.

41. Fridolin, I. On-line monitoring of solutes in dialysate using absorption of ultraviolet radiation: technique description /1. Fridolin, M. Magnusson, L. G. Lindberg // Int. J. Artif. Organs. - 2002. - vol. 25. - p. 748-761.

42. Gotch, Frank A. A mechanistic analysis of the National Cooperative Dialysis / Frank A. Gotch, John A. Sargent, // Kidney International. - 1985. - vol. 28. -p. 526-534.

43. Grootveld, M. Measurement of allantoin and uric acid in human body gluids / M. Grootveld, B. Halliwell // Biochem. - 1987. - vol. 243. - p. 803-808.

44. Holiday, E. The characteristic absorption of ultra-violet radiation by certain purines / E. Holiday // Biochem. - 1930. - vol. 24(3). - p. 619-625.

45. Ingebretsen, C. Uric acid determinations: reversed-phase liquid chromatography with ultraviolet detection compared with kinetic and equilibrium adaptations of the uricase method / C. Ingebretsen, J. Borgen, M. Farstad // Clinical Chemistry. - 1982. - vol. 28(3). - p. 496-498.

46. Jacobs, P. Continuous monitoring of the spent dialysate urea level using a disposable biosensor / P. Jacobs, W. Sansen, R. Homrouckx // ASAIO J. - 1994. - vol. 40.-p. 393-400.

47. Kamshilin, A. Chromatic discrimination by use of computer controlled set of light-emitting diodes / A. Kamshilin, E. Nippolainen // Optics Express. - 2007. - vol. 15.-p. 15093-15100.

48. Keshaviah, P.R. On-line monitoring of the delivery of the hemodialysis prescription / P.R. Keshaviah, J.P. Ebben, P.F. Emerson // Pediatr.Nephrol. - 1995. -vol. 9-p. 2-8.

49. Lauri, K. A HPLC study of uremic fluids related to optical dialysis adequacy monitoring / K. Lauri, R. Tanner, J. Jerotskaja, M. Luman, I. Fridolin // Int. J. Art. Org. - 2010. - vol. 33. - p. 96-104.

50. Levin, N.W. Adequacy of dialysis / N.W. Levin // Am. J. Kidney Dis. -1994.-vol. 24.-p. 308-315.

51. Marymont, J.H. Analysis on Heat Coagulated Blood and Serum IV. Direct Determination of Uric Acid by Ultraviolet Absorption / J.H. Marymont, M. London // Clinical Chemistry. - 1964. - vol. 10. - p. 937-941.

52. Radomska, A. Bioanalytical system for control of hemodialysis treatment based on potentiometric biosensors for urea and creatinine / A. Radomska, R. Koncki, K. Pyrzynska, S. Glab // Analytica Chimica Acta. - 2004. - vol. 523. - p. 193-200.

53. Ren, W. Simultaneous voltammetric measurement of ascorbic acid, epinephrine and uric acid at a glassy carbon electrode modified wich caffeic acid / Wang Ren, Hong Qun Luo, Nian Bing Li // Biosensors and Bioelectronics. - 2006. -vol. 21.-p. 1086-1092.

54. Schoots, A.C. Liquid-Chromatographic Profiling of Solutes in Serum of Uremic Patients Undergoing Hemodialysis and Chronic Ambulatory Peritoneal Dialysis (CAPD); High Concentrations of Pseudouridine in CAPD Patiens / A.C. Schoots, P.G.G. Gerlag, A.W. Mulder, J.A.G. Peeters, C.A.M.G. Cramers // Clin. Chem. - 1988. -vol. 34/1.-p. 91-97.

55. Schoots, A.C. Screening of UV-absorbing solutes in uremic serum by reversed phase HPLC - Change of blood levels in different therapies / Ad C. Schoots, Hittjo R. Homan, Marcel M. Gladdines, Carel A.M.G. Cramers, Rita de Smet, Severin M.G. Ringoir//Clinica Chimica Acta. - 1985. -vol. 146.-p. 37-51.

56. Shohat, J. Adequacy of hemodialysis / J. Shohat, G. Boner // Nephron. -1996.-vol. 76.-p. 1-6.

57. Smith, F. The ultra-violet absorption spectra of uric acid and of the ultra-filtrate of serum / F. Smith // Biochem. - 1928. - vol. 22(6). -p. 1499-1503.

58. Uhlin, F. Dialysis dose (Kt/V) and clearance variation sensitivity using measurement of ultraviolet-absorbance (on-line), blood urea, dialysate urea and ionic dialysance / F. Uhlin, I. Fridolin, M. Magnusson, L. G. Lindberg // Nephrol Dial Transplant. - 2006. - vol. 21. - p. 2225-2231.

59. Uhlin, F. Estimation of delivered dialysis dose by on-line monitoring of the ultraviolet absorbance in the spent dialysate / F. Uhlin, I. Fridolin, M. Magnusson, L. G. Lindberg// Am J Kidney Dis. - 2003. -vol. 41. -p. 1026-1036.

60. Uhlin, F. Estimating total urea removal and protein catabolic rate by monitoring UV absorbance in spent dialysate / F. Uhlin, I. Fridolin, M. Magnusson, L. G. Lindberg // Nephrol. Dial. Transplant. - 2005. - vol. 20. - p. 2458-2464.

61. Uminoto, K. Analysis of uremic substances in dialysate by visible ultraviolet spectroscopy / K. Uminoto, Y. Tatsumi, H. Kanaya, K. Jokei // IFMBE Proceedings. - 2006. - vol. 14/5. - p. 3205-3207.

62. Uminoto, K. Measuring of uremic substances in dialysate by visible ultraviolet spectroscopy / K. Uminoto, Y. Kanaya, H. Kawai // World Congress on Medical Phusics and Biomedical Engineering 2009, Miinchen. - 2009. - vol. 25/7. - p. 42-45.

63. Vanholder, R.C. Assessment of Urea and other uremic Markers for Quantification of dialysis efficacy / Raymond C. Vanholder, Rita De Smet, Severin M. Ringoir // Clinical Chemistry. - 1992. - vol. 38. - p. 1429-1436.

64. Vanholder, R. For the European Uremic Toxin work group (EUTox). New insights in uraemic toxins / R. Vanholder, G. Glorieux, R. De Smet, N. Lameire // Kidney Int. - 2003. - vol. 63. - p. 6-10.

65. Vanholder, R.C. Review on uremic toxins: Classification, concentration, and interinividual variability / Raymond C. Vanholder, Rita De Smet // Kidney International. - 2003. - vol. 63. - p. 1932-1943.

66. Vasilevsky, A.M. Dual-wavelength optical sensor for on-line monitoring of uric acid concentration in spend dialysate during hemodialysis / A.M. Vasilevsky, G.A. Konoplev, O.S. Lopatenko, A.V. Komashnya, K.A. Vishnevsky, R.P. Gerasimchuk, A.I. Kuznetsov, I. Neivelt, A. Frorip // XI Baltic nephrology conference, September 20-22, Tartu, Estonia. - 2012. - p.48.

67. Vasilevsky, A. On-line monitoring of uric acid concentration in spent dialysate during hemodialysis accompanied by graduated physical exercises with the bispectral optical sensor / Aleksandr Vasilevsky, Georgy Konoplev, Oksana Lopatenko, Artememy Komashnya, Konstantin Visnevsky, Roman Gerasimchuk, Indrek Neivelt, Aleksandr Frorip // 49-th ERA-EDTA CONGRESS, Paris. - 2012 -[3jieKTpoHHtm pecypc].

68. Vasilevsky, A.M. Peculiar character of dialyzate ultraviolet extinction spectra as an indicator of nucleic acids metabolism in humans / A.M. Vasilevsky, G.A. Konoplev // Journal of biomedical optics. - 2005. - vol.10. - p. 44-54.

69. Xinhua, D. Preparation of Uric Acid Standard Stock Solution / Dai Xinhua // Clinical Chemistry. - 2006. - vol. 52. - p. 2117-2118.

70. Yavuz, A. Uremic toxins: a new focus on an old subject / A. Yavuz, C. Tetta, F.F. Ersoy, V. D'intini, R. Ratanarat, M. De Cal, M. Bonello, V. Bordoni, G. Salvatori, E. Andrikos, G. Yakupoglu, N.W. Levin, C. Ronco // Semin. Dial. - 2005. -vol. 18. -p. 203-211.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Инструкция пользователя

Подключение пациента к аппарату «Искусственная почка» происходит после запуска программы и установки необходимых параметров. 1. Запустить на ПК программу HD Monitor (рисунок А.1).

№ 5«яon i-tsr: session

5fcOp VKtk*\

Patient Ш:

3

messurj*iwrt

100% siyial

No 100% signal

И? session from: "] Я:

Tme from the begnring: Cixrert concentration of

I Analysis settings

Sensor settngs

Diagram mode Transmission

100 90 80

70

eo-

5 s»-

403020 10 0

■ 262 nm О 287 nm

2 3

Tim*, min

Рисунок A. 1 Вид открывающегося окна после запуска программы HD Monitor

2. Нажать на кнопку «100% signal» (в левом верхнем углу окна программы) для измерения опорного сигнала, соответствующего 100% пропусканию, справа напротив кнопки появятся числовые значения сигнала (Рисунок А. 2).

HDMonitor

New НЮ session

Start session Stop session

Single measurement

100% signal

100% signal 8287/23873

Рисунок A.2 Вид фрагмента окна программы HD Monitor после нажатия кнопки

«100% signal»

Нажмите повторно кнопку «100% signal», чтобы убедиться, что значения сигнала меняются несущественно.

3. Нажать на кнопку «New HD session» (в левом верхнем углу окна программы) для ввода идентификационных данных пациента (Рисунок А.З и А.4).

HDMonitor

New HD session

Single measurement

Start session

Stop session

100% signal

100% signal 8279/23902

Рисунок А.З Кнопка «New HD session» для ввода идентификационных данных

пациента

HD session monitoring

HD session parameters Patient ID

Ivanov

Dialysis machine Dialyzer Blood flow rate Dialyzate flow rate Body weigth Session duration

Dialogue 6000

F6

200

500

70

30

ml/min ml/min kg min

Masurernent parameters Measurement every 5

0 Save results in text file

OK

Cancel

Рисунок А.4 Вид окна после нажатия кнопки «New HD session» Отметка «Save results in text file» ОБЯЗАТЕЛЬНА!

4. Нажать на кнопку «Start session» (в левом верхнем углу окна программы) для начала сеанса измерения концентрации мочевой кислоты в пробах отработанного диализата в режиме реального времени, справа напротив кнопки появятся числовые значения сигнала (Рисунок А.5).

HDMonitor

New HD session

Single measurement

100% signal

Start session

Stop session

98.4%/99.7%

Signal 8027/22008

100% signal 8287/23873

Рисунок A.5 Вид фрагмента окна программы HD Monitor после нажатия кнопки

«Start session»

5. Подключить пациента к аппарату «Искусственная почка».

В нижней части окна программы HD Monitor (рисунок А.6) в ходе процедуры отображается информация как в графическом, так и в числовом виде. Имеется возможность осуществлять контроль коэффициента пропускания пробы на двух длинах волн (%), концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате (ммоль/л) и объема выведения мочевой кислоты (ммоль). Параметр контроля выбирается в «Diagram mode»: Transmission - пропускание, Elimination -объем выведения, Concentration - концентрация.

Diagram mode Transmission v

Time, min

Trie Tl,% Т2,% С, mmolfl BImhated, mmol

00744 87 69 0149 0169

007 54 89 69 0149 0.161

009 04 69 7 0148 0194

008'4 69 71 0147 0 206

00824 7 71 0147 0518

3 08 31 7 7.1 0148 0.231

00944 68 71 0148 0.243

00954 7 71 0147 0555

00904 7 71 0148 0 267

00914 7.1 72 0147 028

00924 69 7.1 0147 0262

00934 69 72 0146 0304

00944 89 72 0145 0316

00954 7.1 73 0145 0 328

ОШ» 7 2 74 0145 034

01014 7.4 75 0144 0363

01024 75 76 0143 0365

01034 7.6 78 0142 0376

01044 75 79 0141 0388

01054 9 79 0141 04

< шшшш >

Рисунок A.6 Отображение информации в ходе процедуры гемодиализа 6. По окончанию процедуры нажать на кнопку «Stop session»

УТВЕРЖДАЮ Проректор СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по научной работе к.т.н.,

естопалов М.Ю.

2013 г.

АКТ

о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Степановой Оксаны Сергеевны «Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса

гемодиализа»

Составлен комиссией в составе:

Председатель: заведующий кафедрой, профессор, д.т.н. Афанасьев В.П., Члены комиссии: профессор, д.т.н. Бузников A.A., доцент, к.т.н. Грунин В.К.

Комиссия составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Степановой Оксаны Сергеевны «Разработка и исследование биспектрального метода контроля процесса гемодиализа» были использованы при обучении магистров в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплине «Оптико-физические методы исследований» магистерской программы «Квантовая и оптическая электроника». В учебном процессе в разделе «Спектральные измерения» введена тема «Биспектральный метод обработки и анализа спектров поликомпонентных жидких сред», предложенный в диссертационной работе. Поставлена лабораторная работа с применением разработанного двухволнового оптоэлектронного сенсора. Использование указанных результатов диссертационной работы Степановой О.С. позволило повысить уровень подготовки студентов в области квантовой и оптической электроники при создании оптико-электронных биспектральных систем контроля технологических процессов.

Председатель: Заведующий кафедрой квантовой электроники д.т.н., профессор

Члены комиссии: д.т.н., профессор

к.т.н., доцент

и оптико-электронных приборов

Афанасьев В.П.

Бузников A.A. Грунин В.К.

Утверждаю

Утверждаю

Главный нефролог Комитета по здравоохранению Санкт-Петербурга, заведующий отделением диализа СПб ГБУЗ «Городская Мариинская больница»

к.м.н.,/доцент А.Ю. Земченков

СПб ГУ5\р^ородская^ Мариадщсаз. §шьцттУу » января 2013

ютделениеУдилпиза

Проректор по научной работе СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Шестопалов

¿>> января 2013 г.

о внедрении результатов диссертациояншгработы Степановой О.С.

на тему:

«Разработка и исследование биспектрального метода для контроля

процесса гемодиализа»

Мы, нижеподписавшиеся, д.т.н., профессор кафедры квантовой электроники и оптико-электронных приборов (КЭОП) Василевский A.M., аспирант кафедры КЭОП Степанова О.С. и представители отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Городская Мариинская больница» составили настоящий акт о внедрении результатов диссертационной работы, выполненной Степановой О.С. на кафедре КЭОП СПбГЭТУ «ЛЭТИ» на тему «Разработка и исследование биспектрального метода для контроля процесса гемодиализа».

Объектом исследований диссертационной работы являлись пробы диализной жидкости больных, страдающих хронической почечной недостаточностью (ХПН), и получающих лечение методом гемодиализа (ГД). Задача диссертационной работы состояла в исследовании динамики состава диализата по мочевой кислоте методом абсорбционной ультрафиолетовой (УФ) спектрометрии по новым методикам с применением средств современной вычислительной техники. Были исследованы УФ спектры экстинкции оттекающего диализата для большой группы больных (42 чел), страдающих ХПН, апробировано применение предложенных методик и разработан сенсор для автоматизированного определения концентрации мочевой кислоты в диализате в режиме реального времени.

Результаты диссертационной работы позволили:

• выявить индивидуальные особенности УФ спектров поглощения гемодиализата пациентов, страдающих ХПН;

• предложить методику классификации спектров диализата по форме кривой поглощения;

• ввести понятие псевдокомпонента NK, представляющего собой совокупность нескольких компонентов. Экспериментальным путем получить УФ спектр поглощения псевдокомпонента NK;

• разработать биспектральный метод определения концентрации мочевой кислоты в оттекающем диализате, который учитывает индивидуальные особенности формы спектров поглощения диализата пациентов;

• разработать биспектральный сенсор для контроля процесса ГД в режиме реального времени и осуществить мониторинг концентрации мочевой кислоты в процессе сеанса ГД.

Результаты диссертационной работы внедрены в практику мониторинга процесса ГД по мочевой кислоте в режиме реального времени.

Биспектральный сенсор был использован врачами отделения гемодиализа СПб ГУЗ «Городская Мариинская больница» для изучения влияния интрадиализной физической нагрузки на концентрацию мочевой кислоты в отработанном диализате в процессе ГД.

Настоящий акт не является основанием для выплаты материального вознаграждения.

от СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Профессор кафедры КЭОП д.т.н. A.M. Василевский

аспирант кафедры КЭОП О. С. Степанова

от СПб ГУЗ «Городская Мариинская больница»

Врач отделения диализа К.А. Вишневский

Врач отделения диализа Р.П. Гер^симчук