Способ определения содержания производных гемоглобина в крови



Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови
Способ определения содержания производных гемоглобина в крови

 


Владельцы патента RU 2536217:

Белорусский государственный университет (БГУ) (BY)

Изобретение относится к медицинской диагностике в области гематологии и может быть использовано для одновременного определения всех производных гемоглобина в крови. Сущность способа: фотометрирование цельной крови осуществляют в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, измеряют спектральные коэффициенты пропускания кюветы с цельной кровью, а количественные значения концентрации основных производных гемоглобина, которые определяют путем минимизации невязки

Изобретение может быть использовано для контроля газового состава крови в реанимации, токсикологии, при интенсивной терапии, для определения влияния на гемоглобинный состав физиологических, патологических и экологических факторов, а также в родильных домах, акушерских и педиатрических стационарах для контроля гематологических показателей новорожденных и мониторинга гипербилирубинемии. Изобретение обеспечивает повышение информативности анализа крови. 5 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к медицинской диагностике в области гематологии и может быть использовано для контроля газового состава крови в реанимации, токсикологии, при интенсивной терапии, для определения влияния на гемоглобинный состав физиологических, патологических и экологических факторов, а также в родильных домах, акушерских и педиатрических стационарах для контроля гематологических показателей новорожденных и мониторинга гипербилирубинемии.

Известен способ для определения оксигенации гемоглобина в оптически доступных тканях [1]. Для проведения оксиметрии исследуют избранную зону ткани. С помощью коллимированного зондирующего света двух определенных длин волн в полосе поглощения гемоглобина вокруг изобестической длины волны поглощения около 501 нм измеряют интенсивность отраженного зондирующего света от ткани, определяют адекватные насыщению кислородом коэффициенты отражения для изобестической и неизобестической длин волн и по их значениям определяют оксигенацию гемоглобина. Недостатком этого способа является определение лишь степени оксигенации гемоглобина, не позволяющее проводить более полную диагностику состояния пациента. Кроме того, при расчетах пренебрегают содержанием карбоксигемоглобина и метгемоглобина, что в некоторых случаях существенно снижает точность оксиметрии. Способ не может быть использован при исследовании патологических состояний.

Известен способ определения относительных концентраций производных гемоглобина [2], включающий помещение проб крови в две кюветы с различной величиной оптического пути, измерение коэффициентов диффузионного отражения и относительного пропускания двух слоев на длинах волн 660, 700, 805 нм, расчет относительных концентраций мет-, окси-, и дезоксигемоглобина по установленным значениям оптических плотностей слоя крови на фотометрируемых длинах волн. Достоинством этого способа является учет при расчетах диффузионного рассеяния, что повышает точность получаемых результатов; а также определение трех производных гемоглобина, в том числе метгемоглобина, что позволяет использовать данный способ при ряде острых отравлений. Известный способ не предусматривает определение содержания карбоксигемоглобина, а также абсолютных концентраций исследуемых производных гемоглобина, что существенно снижает в большинстве случаев его информативность.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания производных гемоглобина в крови, основанный на фотометрировании раствора крови на m длинах волн, выбранных методами линейного программирования в диапазоне 450-650 нм, измерении оптической плотности раствора крови на выбранных длинах волн [3]. Концентрации производных гемоглобина, в частности оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина, метгемоглобина, определяют по известным молярным коэффициентам поглощения из системы уравнений, связывающих определяемые параметры с измеренными оптическими плотностями раствора крови. Данный способ позволяет определять абсолютные значения четырех производных гемоглобина. Однако он требует подготовки проб крови (например, ультразвуком под давлением либо с добавлением химического гемолизирующего раствора), что усложняет анализ крови и увеличивает время анализа. Кроме того, данный способ не учитывает содержание сульфгемоглобина в крови, характерная полоса поглощения которого (максимум поглощения на λ=622 нм) перекрывается с характерной полосой поглощения метгемоглобина (максимум поглощения на λ=630 нм), что при некоторых патологических состояниях может служить причиной ошибочного диагноза.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения функциональных возможностей за счет одновременного определения всех производных гемоглобина (оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина, метгемоглобина, сульфгемоглобина), а также гематокрита и концентрации билирубина в крови; возможности определения производных гемоглобина в цельной крови; повышение точности измерений определяемых параметров.

Для решения данных задач фотометрирование цельной крови осуществляют в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, измеряют спектральные коэффициенты пропускания кюветы с цельной кровью, а количественные значения концентрации основных производных гемоглобина определяют путем минимизации невязки

,

где вектор b - определяемые концентрации производных гемоглобина (окси, деокси, карбокси, мет- и сульфгемоглобин), общего гемоглобина, билирубина, а также гематокрит;

Tmeas(λ), T(λi, b) - соответственно экспериментальные и расчетные значения коэффициентов пропускания крови;

D - используемый диапазон длин волн,

Δλ - используемое спектральное разрешение,

D/Δλ - количество длин волн фотометрирования крови;

,

,

,

где r, r* - соответственно коэффициенты отражения света от кюветы с кровью и внутренних стенок кюветы;

Т0, Т* - соответственно коэффициенты пропускания кровью коллимированного и диффузного излучения;

а средний косинус индикатрисы рассеяния g, транспортный коэффициент рассеяния β′ и коэффициент поглощения k рассчитываются с учетом полученных путем численного моделирования аппроксимационных зависимостей между сечением поглощения и рассеяния Ce,a, , среднего косинуса индикатрисы рассеяния эритроцитов ge, которые имеют вид:

,

,

,

где εtHb - молярный коэффициент поглощения гемоглобина;

МСНС - концентрация гемоглобина в эритроците;

Pe - параметр формы эритроцита;

Ve - средний объем эритроцита,

а a, b, …u - численные коэффициенты, рассчитанные заранее методом наименьших квадратов при аппроксимации указанными выше уравнениями статистических данных о множестве смоделированных связей между оптическими характеристиками, оптическими и биофизическими параметрами крови в известных диапазонах разброса последних.

Сущность данного изобретения поясняется с помощью фиг.1-5. На фиг.1 представлены молярные коэффициенты поглощения производных гемоглобина, на фиг.2 сопоставлены коэффициенты пропускания кюветы с кровью, рассчитанные аналитически и методом Монте-Карло, на фиг.3 приведена гистограмма погрешностей полученных аналитических выражений относительно метода Монте-Карло, на фиг.4 представлены погрешности аналитических расчетов оптических параметров частиц, моделирующих эритроциты крови, на фиг.5 изображен спектр коэффициента пропускания, смоделированный методом Монте-Карло при заданных значениях модельных параметров (точки) и подобранный в результате решения обратной задачи (кривая).

Для получения аналитических соотношений, связывающих спектральные коэффициенты пропускания кюветы с кровью с определяемыми параметрами (концентрациями основных производных гемоглобина и билирубина), требуется использование модели переноса света в крови, позволяющей численно рассчитывать спектр пропускания кюветы с кровью с учетом многократного рассеяние света эритроцитами и возможных вариаций их формы. Рассмотрим эффективность предлагаемого решения на примере тонкой кюветы с цельной кровью (толщиной 200 мкм) при ее направленном освещении. Выбор такой малой толщины связан с тем, что кровь является сильно поглощающей средой и производить ее фотометрирование спектральной в области λ<600 нм, где сосредоточены основные полосы поглощения таких хромофоров крови как билирубин и окси-, деокси- и карбоксигемоглобин (фиг.1), можно только в тонких кюветах.

Модель переноса света в крови. Основными морфологическими и биохимическими параметрами цельной крови, определяющими ее оптические свойства в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах, являются [4-13]:

1) средний объем эритроцита Ve=60-200 мкм3;

2) концентрация гемоглобина в эритроците МСНС=280-380 г/л;

3) параметр формы эритроцита pe=2-5 (смысл его будет пояснен ниже);

4) объемная концентрация эритроцитов в крови (гематокрит) H=0.2-0.7;

5) гемоглобинный состав, характеризующийся относительными концентрациями оксигемоглобина cHbO2≤0.98, карбоксигемоглобина - cCOHb≤0-2, метгемоглобина - cMetHb≤0.2, сульфгемоглобина - cSHb≤0.1 и деоксигемоглобина cHb=1-cHbO2-cCOHb-cMetHb-cSHb;

6) концентрация билирубина (продукта распада гемоглобина) в плазме Cbil≤230 мг/л.

Знание вышеуказанных параметров позволяет рассчитать и ряд других, важных параметров крови, например концентрацию общего гемоглобина в крови CtHb=МСНС·Н=80-200 г/л и счетную концентрацию эритроцитов (количество эритроцитов в 1 мм3) Ne=H/Ve=(3.5-6.5)·106 мм-3.

Поскольку гемоглобин неравномерно перемешан в крови, а локализован в эритроцитах, то спектры поглощения цельной и гемолизированной крови существенно различаются [10, 14]. В связи с этим для расчета коэффициентов поглощения и рассеяния цельной крови будем использовать методы теории дифракции света на частицах, моделирующих эритроциты. Для этого необходимо задать размер, форму эритроцитов и спектральную зависимость их комплексного показателя преломления (КПП), а также окружающей их среды (плазмы).

Действительная часть ne КПП эритроцитов определяется преимущественно содержанием гемоглобина в их составе (МСНС):

где n H 2 O - показатель преломления воды; α - эмпирический коэффициент [15]. Поскольку содержание солей, сахаров и других органических компонентов в цитоплазме эритроцитов незначительно, то при проведении расчетов полагается, что спектральная зависимость цитоплазмы эритроцитов коррелирует со спектральной зависимостью показателя преломления воды [7].

Мнимая часть χe КПП эритроцитов связана с молярным коэффициентом поглощения гемоглобина εtHb следующим образом [6-10]:

µtHb=64.5 г/ммоль - молярная масса гемоглобина; λ - длина волны света в нм. Коэффициент εtHb рассчитывается в соответствии с гемоглобинным составом:

где εHbO2, εHb, εCOHb, εMetHb и εSHb - молярные коэффициенты полгощения соответственно окси- (HbO2), деокси- (Hb), карбокси- (COHb), мет- (MetHb) и сульфгемоглобина (SHb) в мм-1/(ммоль/л) [16]. Спектральные зависимости этих коэффициентов представлены на фиг.1. Как видно, спектры поглощения производных гемоглобина существенно перекрываются, причем спектр поглощения COHb практически подобен спектру поглощения HbO2. В связи с этим для комплексного определения концентраций производных гемоглобина необходимо выполнять измерения спектрального пропускания крови с достаточно малым шагом по λ (чтобы количество спектральных участков во много раз превышало количество анализируемых производных гемоглобина). Это позволяет существенно повысить устойчивость обратной задачи к погрешностям оптических измерений и сузить диапазон равноприемлемых модельных решений (одинаково хорошо воспроизводящих данные измерений в пределах экспериментальной точности).

Спектральная зависимость показателя преломления плазмы крови npl в спектральном диапазоне 400-1000 нм описывается эмпирическим выражением [7]:

Эритроциты будем моделировать хаотически ориентированными сплюснутыми сфероидами. В этом случае параметр формы эритроцитов имеет ясную геометрическую интерпретацию и определяется как pe=a/b, где a и b - большая и малая полуоси оптически-эквивалентного сфероида, обладающего такими же оптическими характеристиками, как и реальный эритроцит. Такое предположение основано на том факте, что сфероидальные частицы позволяют достаточно хорошо аппроксимировать частицы различных форм [8, 17, 18].

Наиболее эффективным методом расчета оптических характеристик хаотически ориентированных сфероидов (коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния, индикатрисы рассеяния) является метод Т-матриц [19]. Данный метод обладает наибольшим быстродействием по сравнению с другими методами теории дифракции света на частицах, основанными на строгом решении уравнений Максвелла. Однако использование данного метода для оптически «мягких» частиц с размерами и параметрами формы, характерными для эритроцитов, осложняется плохой сходимостью соответствующих им рядов в расчетных формулах для элементов Т-матрицы. В связи с этим используется упрощенный подход к расчету оптических характеристик оптически «мягких» сфероидов, предложенный в работе [20]. Суть его заключается в переходе от хаотически ориентированного сфероида к набору шаров с распределением по дифракционному параметру типа степенного, плотность которого

где x и xpe - минимальный и максимальный значения дифракционного параметра сфероида; x=2πb/λ; b - малая полуось сфероида; x0=2πr0/λ; r0 - радиус сферической частицы. В работе [20] путем сравнения с методом Т-матриц показано, что взвесь хаотически ориентированных монодисперсных сфероидальных частиц по своим оптическим свойствам практически не отличается от полидисперсных сферических частиц с плотностью распределения (5). Таким образом, оптические сечения поглощения Ce,a, рассеяния Ce,s и индикатрису рассеяния Pe сфероидальных частиц, моделирующих эритроциты в плазме, можно рассчитать согласно известным правилам сложения соответствующих оптических величин для полидисперсного ансамбля сферических частиц:

где me=(ne+iχe)/npl - относительный КПП эритроцитов; Ca, Cs и S11 - оптические сечения поглощения, рассеяния и индикатриса рассеяния сферической частицы; θ - угол рассеяния.

При плотной упаковке частиц, как это имеет место в случае цельной крови, необходимо учитывать влияние интерференционного сложения волн, рассеянных соседними частицами, на объемные коэффициенты поглощения k, рассеяния β и индикатрису рассеяния Р(θ) среды. Учет кооперативного взаимодействия плотноупакованных эритроцитов является далеко не тривиальной задачей, требующей дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Немногочисленные экспериментальные данные по зависимостям оптических параметров крови от объемной концентрации эритроцитов (H), имеющиеся в литературе [21, 22], демонстрируют практически линейную зависимость коэффициента k от H (по крайней мере, в диапазоне H=0-0.45). Исходя из этих данных коэффициент поглощения крови k будем рассчитывать как сумму коэффициентов поглощения суспензии эритроцитов (пропорционального H) и растворенного в плазме билирубина:

где εbil - молярный коэффициент поглощения билирубина в мм-1/(ммоль/л) [23]; µbil=585 мг/ммоль - молярная масса билирубина.

Экспериментальные зависимости β от H являются линейными лишь до H<0.1. Для более высоких значений H экспериментальные данные существенно расходятся, что, по-видимому, связано с большими погрешностями определения коэффициента β при большой оптической плотности исследуемого вещества [21]. Очевидно, что в пределе H→1, когда эритроциты слипаются вместе, образуя однородную массу поглощающего гемоглобина, коэффициент рассеяния крови должен стремиться к нулю. Это приводит к следующему приближенному выражению для β [24]:

где множитель (1-H) отвечает за подавление рассеяния при H→1.

Что касается влияния плотности упаковки эритроцитов на индикатрису рассеяния крови Р(θ), то имеющиеся в литературе данные относятся лишь к ее среднему косинусу и также существенно отягощены погрешностями измерений [21]. В связи с этим будем полагать, что эффекты кооперативного взаимодействия эритроцитов не оказывают значимого влияния на индикатрису рассеяния крови, поэтому Р(θ)=Ре(θ). Отметим, что это предположение используется практически во всех известных работах по моделированию процесса переноса света в цельной крови [4-10].

Расчет характеристик переноса света в кювете с кровью осуществляется с использованием метода Монте-Карло [25, 26], основанного на статистическом моделировании траекторий большого количества фотонов от точки их влета в среду до их поглощения или вылета из среды. Первоначальный ″вес″ каждого фотона равен единице. При ″блуждании″ фотона в среде его ″вес″ уменьшается за счет френелевского отражения от поверхности среды (в данном случае от стенок кюветы), а также за счет процессов поглощения и рассеяния в среде. Коэффициент пропускания кюветы с кровью рассчитывается как отношение суммарного ″веса″ фотонов, попавших на приемник излучения или объектив камеры, к суммарному числу фотонов, падающих на среду.

Метод расчета спектрального пропускания крови.

Вышеописанная модель позволяет по известным значениям морфологических и биохимических параметров крови численно рассчитывать спектр пропускания крови и другие ее оптические характеристики, измеряемые в эксперименте, т.е. решать прямую задачу. Однако для количественной интерпретации получаемых в эксперименте результатов требуется многократное решение прямой задачи при различных значениях модельных параметров, что является весьма трудоемким даже для современной вычислительной техники. В связи с этим нами разработан простой метод расчета спектрального пропускания крови, позволяющий выполнять интерпретацию результатов спектрофотометрических измерений в режиме реального времени. Аналитические выражения, используемые в данном методе, получены на основе аппроксимации данных, рассчитанных с использованием вышеописанной модели при различных значениях модельных параметров (структурных и биохимических параметров крови).

Моделирование выполнялось для слоя цельной крови толщиной 200 мкм. В численных расчетах принимается, что пучок излучения, состоящий из 106 фотонов, падает нормально на стеклянную кювету с показателем преломления ngl=1.5, а приемник излучения регистрирует все фотоны, прошедшие через кювету. Разумеется, что методом Монте-Карло можно проводить вычисления фотометрических сигналов, соответствующих и любой другой геометрии эксперимента.

Оптические параметры крови (Р(θ), k и β) и коэффициент пропускания (КП) кюветы с кровью T(λ) рассчитывались в диапазоне λ=450-850 нм с шагом 5 нм. Расчет проведен для 750 случайных реализации модельных параметров, соответствующих вышеуказанным диапазонам их вариаций (с учетом ограничений по зависящим от них параметрам CtHb и Ne). Смоделированные данные использовались для получения аналитических выражений, аппроксимирующих зависимости КП крови от ее оптических параметров, а также оптических параметров от структурных и биохимических параметров.

Общий вид выражения для КП кюветы с кровью выбран исходя из физических соображений. Фотоны на своем пути через слой крови испытывают большое количество актов рассеяния даже при малой толщине слоя, в результате чего излучение существенно отклоняется от своего первоначального направления. У стенок кюветы и будем считать это излучение полностью диффузным. Такое упрощение позволяет достаточно просто учесть многократные переотражения света между стенками кюветы. Действительно, в этом случае коэффициент отражения света от внутренних стенок кюветы (r*) не зависит от оптических параметров крови, и полный поток излучения, прошедшего через кювету, можно найти как сумму переотраженных потоков, образующих бесконечно убывающую геометрическую прогрессию со знаменателем , где - коэффициент пропускания кровью диффузного излучения. Искомый КП определяется как отношение прошедшего через кювету диффузного потока к падающему на нее направленному потоку:

где r - френелевский коэффициент отражения коллимированного излучения от кюветы с кровью, T0 - коэффициент пропускания кровью коллимированного излучения. Несоответствие коэффициента r* в формуле (11) угловой структуре излучения у стенок кюветы можно учесть в зависимостях коэффициентов Т0 и от оптических параметров крови. Исходя из вышеописанных расчетов КП методом Монте-Карло эти зависимости хорошо аппроксимируются полиномами следующего вида:

где g - средний косинус индикатрисы рассеяния; β′=β(1-g) - транспортный коэффициент рассеяния. Значения коэффициентов в формулах (12), (13) указаны в табл.1.

Значения оптических параметров цельной крови, при которых справедливы полученные выражения, охватывают, по меньшей мере, следующие диапазоны: k=0.1-28 мм-1, β=79-232 мм-1, β′=0.7-3.5 мм-1, g=0.977-0.997, Т=0.001-0.779. Данные диапазоны соответствуют λ=450-850 нм и вышеуказанным вариациям морфологических и биохимических параметров крови. О точности расчетов Т(λ) с использованием выражений (11)-(13) можно судить на основании их сравнения с вышеописанными численными расчетами T(λ) методом Монте-Карло. На фиг.2 сопоставлены значения КП, рассчитанные численно - TMC и аналитически - T, при различных значениях оптических параметров крови, а на фиг.3 изображено распределение v(δT) соответствующих им погрешностей δ T = 100 % | T T M C | / T M C . Как видно, различие между коэффициентами TМС и T находится в пределах погрешности фотометрических измерений, причем в среднем δT≈0.5%. Следует отметить, что выражения (11)-(13) можно с успехом использовать для аппроксимации коэффициента пропускания, соответствующего любой апертуре фотоприемника. Отличия будут заключаться лишь в численных значениях коэффициентов аппроксимации.

Как следует из выражений (11)-(13), коэффициенты пропускания тонкой кюветы с кровью определяется коэффициентом поглощения k, транспортным коэффициентом рассеяния β′ и средним косинусом g индикатрисы рассеяния крови. В вышеописанных численных расчетах данных характеристик наиболее трудоемким является этап расчета сечений поглощения (Се,a), рассеяния (Ce,s) и индикатрисы рассеяния Ре(θ) эритроцитов по формулам (6)-(8). Очевидно, для количественного анализа спектра пропускания цельной крови необходим оперативный метод расчета оптических характеристик эритроцитов. В связи с этим нами получены выражения, с высокой точностью аппроксимирующие зависимости ge, Се,а и С′e,sе,s(1-ge) от морфологических параметров и биохимического состава эритроцитов:

где a, b, …, u - численные коэффициенты, рассчитанные заранее методом наименьших квадратов в диапазоне λ=450-850 нм (видимый и ближний ИК-диапазон) с шагом 5 нм при аппроксимации указанными выше уравнениями статистических данных о множестве смоделированных связей между оптическими характеристиками, оптическими и биофизическими параметрами крови в известных диапазонах разброса последних.

Средние погрешности аппроксимации спектральных зависимостей Ce,a(λ), и ge(λ) выражениями (14)-(16) приведены на фиг.4. При известных значениях Ce,a и Ce,s расчет коэффициентов k и β′ цельной крови выполняется по формулам (9) и (10). В предположении, что индикатриса рассеяния крови не зависит от плотности упаковки эритроцитов, очевидно, что g=ge.

Таким образом, выражения (11)-(16) позволяют в простом аналитическом виде рассчитывать КП тонкой кюветы с цельной кровью в диапазоне λ=450-850 нм с учетом многократного рассеяния света и формы эритроцитов, что является основой для оперативной количественной интерпретации получаемых в эксперименте результатов.

Количественный анализ спектра пропускания крови.

Количественные оценки морфологических и биохимических параметров крови b по данным спектрофотометрических измерений основываются на минимизации невязки между экспериментальным Tmes(λ) и расчетным Т(λ,b) спектрами пропускания кюветы с кровью:

где D и Δλ - используемые диапазон длин волн и спектральное разрешение.

Погрешности определения параметров крови с использованием предлагаемого способа оценивались на основе замкнутых численных экспериментов, суть которых поясняется фиг.5. Спектр Tmeas(λ), используемый для нахождения параметров крови (модельных параметров), изображен на фиг.5 точками. Данный спектр получен как ТМС(λ)+δТ(λ), где ТМС(λ) - спектр пропускания крови, рассчитанный методом Монте-Карло при заданных значениях модельных параметров (Ve=90 мкм3, pe=3.0, МСНС=340 г/л, H=0.4, S=0.8, cCOHb=0.05, cMetHb=0.05, cSHb=0.05, Cbil=50 мг/л); δT(λ) - случайные флуктуации в пределах 2% от ТМС(λ), моделирующие погрешности фотометрических измерений. Спектр Т(λ,b) рассчитывался с использованием полученных аналитических выражений (11)-(16). Минимизация невязки (17) выполнялась методом Левенберга-Марквардта [27]. Аналитический спектр Т(λ,b), соответствующий минимуму невязки (17) (σ≈0.005), изображен на фиг.5 сплошной кривой. Данному спектру соответствуют следующие значения модельных параметров: Ve=93 мкм3, pe=3.7, МСНС=336 г/л, H=0.4, S=0.81, cCOHb=0.047, cMetHb=0.048, cSHb=0.006, Cbil=49 мг/л.

Сравнивая заданные b и восстановленные b∗ значения модельных параметров, можно оценить погрешности восстановления параметров крови. Аналогичные численные эксперименты проводились для 750 реализации b и Tmes(λ), на основании чего оценены средние погрешности δb восстановления параметров крови и коэффициент корреляции ρ между b и b∗. Значения этих характеристик, соответствующие максимально широкой вариации параметров крови и погрешности фотометрических измерений ~2%, приведены в табл.2.

Табл.2.
Средние погрешности δb восстановления модельных параметров b и коэффициент корреляции ρ между заданными и восстановленными значениями параметров b
b δb, % ρ
cHb 2.3 0.9998
c H b O 2 0.8 0.9997
cCOHb 5.4 0.9993
cMetHb 3.9 0.9997
cSHb 3.3 0.9997
Cbil 3.8 0.9996
CtHb 0.7 0.9987
H 1.3 0.9974

Как видно из представленных результатов, заявляемый способ позволяет оперативно и с высокой точностью определять концентрации производных гемоглобина в крови, а также концентрацию билирубина и гематокрит крови. При этом не требуется предварительная обработка крови и использование дополнительных операций, присутствующих в большинстве известных методов анализа крови (например, разбавление, гемолиз, центрифугирование, сферизация эритроцитов и т.д.). Расширяются функциональные возможностей за счет одновременного определения всех производных гемоглобина (оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, карбоксигемоглобина, метгемоглобина, сульфгемоглобина), а также гематокрита и концентрации билирубина в крови.

Литература

1. Патент США №5318122, МПК A61B 5/00, 6/00, 07.06.1994.

2. Авт. св. СССР №1613955, G01N 33/49, 15.12.1990.

3. Патент РФ №2140083, G01N 33/52, G01N 33/72, 20.10.1999.

4. Single scattering by red blood cells / M. Hammer [et. al.] // Appl. Opt. 1998. V.37, №31. P.7410-7418.

5. Кириллин, М.Ю. Моделирование распространения лазерного пучка в плоском слое суспензии эритроцитов методом Монте-Карло: сравнение вкладов рассеяния с различными кратностями в угловое распределение света / М.Ю. Кириллин, А.В. Приезжев // Квантовая электроника. 2002. Т.32, №10. С.883-887.

6. Faber, D.J. Oxygen saturation-dependent absorption and scattering of blood / D.J. Faber [et. al.] // Phys. Rev. Let. 2004. V.94, №2. P.028102-1-028102-4.

7. Башкатов, А.Н. Иммерсионное просветление крови человека в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах / А.Н. Башкатов [и др.] // Оптика и спектр. 2005. Т.98, №4. С.695-703.

8. Mroczka, J. Modeling of light transmittance measurement in a finite layer of whole blood - a collimatwd transmittance problem in Monte Carlo simulation and diffusion model / J. Mroczka, R. Szczepanowski // Optica Applicata. 2005. V. XXXV, №2. P.311-331.

9. Clancy, N.Т. Effect of glucose on the optical properties of arterial blood using Mie theory simulations / N.T. Clancy, M.J. Leahy // Diagnostic Optical Spectroscopy in Biomedicine III, edited by Mary-Ann Mycek, Proc. of SPIE-OSA Biomedical Optics. 2005. SPIE Vol.5862. P.58620Y-1-58620Y-7.

10. Roggan, A. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions / A. Roggan, G. Müller, M. Meinke // J. Biomed. Opt. 2006. V.11, №3. P.034021-1-034021-10.

11. Yarynovska I.H., Bilyi A.I. Absorption spectra of sulfhemoglobin derivates of human blood // Proc. of SPIE. 2006. V.6094. P.60940G-1-60940G-6.

12. Suzaki, Н. Noninvasive measurement of total hemoglobin and hemoglobin derivatives using multiwavelength pulse spectrophotometry / Н. Suzaki [et. al.] // Engineering in Medicine and Biology Society 2006. EMBS ′06, 28th Annual International Conference of the IEEE. New York: IEEE, 2006. P.799-802.

13. Костюков, Д.В. Спектральные исследования плазмы и крови новорожденных [Электронный ресурс] / Д.В. Костюков [и др.] // Техномедика, - Режим доступа: http://www. technomedica.com/bib/3-Spectra.pdf. свободный.

14. Барун, В.В. Локализованное поглощение света гемоглобинами суспензии эритроцитов / В.В. Барун, А.П. Иванов // Журн. прикл. спектр. 2009. Т.76, №4. С.516-524

15. Friebel, M. Model function to calculate the refractive index of native hemoglobin in the wavelength range of 250-1100 nm dependent on concentration / Friebel M., Meinke M. // Appl. Opt. 2006. V.45, №12. P.2838-2842.

16. Zijlstra W.G., Buursma A., Assendelft O.W. Visible and near infrared absorption spectra of human and animal haemoglobin. Utrecht: VSP, 2000. P.150-157.

17. Dubovik, O. Application of spheroid models to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust / O. Dubovik [et. al.] // J. Geophys. Res. 2006. V. 111, D11208, doi:10.1029/2005JD006619.

18. Лопатин, В.Н. [и др.]. Методы светорассеяния в анализе дисперсных биологических сред, Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2004. С.135-150.

19. Mishcenko, M.I. Travis, L.D. Lacis, A.A. Scattering, absorption, and emission of ligtht by small particles. New York: NASA Goddard Institute for space studies, 2004. P.100-115.

20. Сидько, Ф.Я. Лопатин, В.Н. Парамонов, Л.Е. Поляризационные характеристики взвесей биологических частиц, Новосибирск: Наука, 1990. С.15-20.

21. Roggan, A. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm / A. Roggan [et. al] // J. Biomed. Opt. 1999. V.4, №1. P.36-46.

22. Meinke, M. Empirical model functions to calculate hematocrit-dependent optical properties of human blood / M.Meinke [et. al.] // Appl. Opt. 2007. V.46, №10. P.1743-1753.

23. Du, H. PhotochemCAD: A Computer-Aided Design and Research Tool in Photochemistry / H. Du [et. al.] // Photochemistry and Photobiology. 1998. V.68, №2. P.141-142.

24. Twersky, V. Absorption and multiple scattering by biological suspensions //J. Opt. Soc. Am. 1970. V.60, №8. P.1084-1093.

25. Wang, L. MCML - Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues / L. Wang, S.L. Jacques, L. Zheng // Computers Methods and Programs in Biomedicine. - 1995. - №47. - P.131-146.

26. Васильев А.В., Мельникова И.Н. Коротковолновое солнечное излучение в атмосфере Земли. Расчеты. Измерения. Интерпретация. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002. С.45-50.

27. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numeric recipes. The art of scientific computing. Third edition, New York: Cambridge University Press, 2007. P.345-352.

Способ определения концентрации производных гемоглобина в крови, основанный на фотометрировании крови на длинах волн видимого диапазона, отличающийся тем, что осуществляют фотометрирование цельной крови в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, измеряют спектральные коэффициенты пропускания кюветы с цельной кровью, а количественные значения концентрации основных производных гемоглобина определяют путем минимизации невязки
,
где вектор b - определяемые концентрации производных гемоглобина (окси, деокси, карбокси, мет- и сульфгемоглобин), общего гемоглобина, билирубина, а также гематокрит;
Tmeas(λ), T(λi,b) - соответственно экспериментальные и расчетные значения коэффициентов пропускания крови;
D - используемый диапазон длин волн,
Δλ - используемое спектральное разрешение,
D/Δλ - количество длин волн фотометрирования крови;
,
,
,
где r, r* - соответственно коэффициенты отражения света от кюветы с кровью и внутренних стенок кюветы;
Т0, Т* - соответственно коэффициенты пропускания кровью коллимированного и диффузного излучения;
а средний косинус индикатрисы рассеяния g, транспортный коэффициент рассеяния β′ и коэффициент поглощения k рассчитываются с учетом полученных путем численного моделирования аппроксимационных зависимостей между сечением поглощения и рассеяния Ce,a, , среднего косинуса индикатрисы рассеяния эритроцитов ge, которые имеют вид:
,
,
,
где εtHb - молярный коэффициент поглощения гемоглобина;
МСНС - концентрация гемоглобина в эритроците;
pe - параметр формы эритроцита;
Ve - средний объем эритроцита,
а a, b, …u - численные коэффициенты, рассчитанные заранее методом наименьших квадратов при аппроксимации указанными выше уравнениями статистических данных о множестве смоделированных связей между оптическими характеристиками, оптическими и биофизическими параметрами крови в известных диапазонах разброса последних.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицине и касается способа проведения иммунохроматографического анализа с диссоциирующей флуоресцентной меткой, в котором на мембранной тест-полоске формируют комплексы, в состав которых входят молекулы антигена или антигенов, специфичные к ним антитела и молекулы метки.
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для оценки угрозы формирования гипоксии в третьем триместре гестации. Способ включает: определение в периферической крови титра антител к цитомегаловирусу, уровня рН крови и содержания оксигемоглобина на биохимическом анализаторе, и при нарастании титра антител к цитомегаловирусу до 1:1600, уменьшении рН крови до 7,25±0,03, а оксигемоглобина до 90,15±0,35% при контроле 95,20% оценивают угрозу формирования гемической гипоксии.

Изобретение относится к области медицины и предназначено для прогнозирования эффекта терапии инфликсимабом у детей с болезнью Крона. Проводят определение сывороточной концентрации фактора некроза опухоли альфа (TNF-α), оценку относительного содержания Th17-лимфоцитов (%CD3+CD4+CD161+ от CD3+CD4+) и активности сукцинатдегидрогеназы в популяции регуляторных Т-клеток (CD3+CD4+CD127low) (SDH-Treg) до и на следующие сутки после введения инфликсимаба.

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к аспектам, относящимся к способам неферментативного определения присутствия или количества углеводов в образце, и описывает способ, устройство и набор для анализа образца для определения присутствия или количества анализируемого вещества, в частности углеводорода, более конкретно сахара, в образце при использовании ткани.

Изобретение относится к медицине, а именно к способу определения выраженности воспалительного процесса при остеоартрозе. Сущность способа состоит в том, что проводят люминолзависимую железоиндуцированную хемилюминесценцию модельной системы, которая имеет следующий состав: 2,72 г KH2PO4, 7,82 г KCl, 1,5 г цитрата натрия C6H8O7Na3*5,5H2O на 1 литр дистиллированной воды, pH 7,45 с 0,2 мл 10-5 М раствора люминола, затем в присутствии синовиальной жидкости определяют интенсивность свечения модельной системы до и после добавления синовиальной жидкости.

Изобретение относится к способу обнаружения аналита в пробе жидкости тела путем использования диагностического тестового элемента. Диагностический тестовый элемент (110) для обнаружения аналита в пробе (126) жидкости тела, в частности цельной крови объемом менее 2 микролитров, содержит по меньшей мере одно тестовое поле (116) с по меньшей мере одним реагентом-индикатором, где реагент-индикатор способен при наличии аналита испытывать по меньшей мере одно обнаруживаемое изменение, в частности оптическое изменение.

Изобретение относится к иммунологии и медицинской диагностике и представляет собой способ проведения иммунохроматографического анализа для серодиагностики. Предложенное изобретение предназначено для иммунохроматографического определения в жидких пробах антител к возбудителям инфекционных заболеваний или другим антигенам, например, таким как аллергены.
Изобретение относится к медицине и представляет собой способ ускоренной окраски гистологических препаратов для выявления микобактерий туберкулеза, включающий приготовление гистологических препаратов по общепринятой методике, окрашивание их по Циль-Нильсону, отличающийся тем, что после стандартной подготовки препаратов к окраске срезы проходят процедуру депарафинизации путем последовательного помещения их в ксилол и спирты нисходящей концентрации по 5 минут в термостат при температуре 54°C с последующим помещением их в воду, затем в 1% раствор йодной кислоты на 2 минуты и промыванием в проточной воде в течение 10 секунд, после чего на срез, покрытый фильтровальной бумагой, наливают карбол-фуксин Циля и подогревают над пламенем спиртовки до появления паров в течение 2 минут, оставляют краску на срезе после прекращения подогревания на 3-5 минут, убирают фильтровальную бумагу и ополаскивают срезы в воде, дифференцируют их 1% кислотным буфером, ополаскивают в водопроводной воде в течение 1 минуты, после чего на срез помещают раствор метиленового синего по Лефлеру и подогревают над пламенем спиртовки до появления паров, промывают в воде, дифференцируют в 1% кислотном буфере и хорошо промывают водой, обезвоживают в спиртах восходящей крепости в течение 1 минуты, помещают в ксилол и заключают в бальзам.
Изобретение относится к области медицины и предназначено для прогнозирования гнойных послеоперационных осложнений у больных раком толстой кишки (колоректальный рак) путем динамического исследования крови.

Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано для прогнозирования течения заболевания у больных раком яичников. Сущность способа: в опухолевой ткани яичников определяют долю клеток в S фазе клеточного цикла, при значении этого показателя менее 15,9% прогнозируют благоприятный исход, а при значении этого показателя более 15,9% прогнозируют неблагоприятный исход.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для определения антиоксидантной защиты организма человека при диагностике и лечении различных заболеваний, сопровождающихся нарушением антиоксидантной защиты. Измеряют содержание химических элементов в крови человека рентгенофлуоресцентным методом с использованием синхротронного излучения, определяют соотношение суммы значений содержания химических элементов с прооксидантными свойствами к сумме значений химических элементов с антиоксидантными свойствами по формуле: А О З = ∑ i = 1 n x i ∑ i = 1 n y i , где xi - значение химических элементов в крови человека с прооксидантными свойствами; yi - значение химических элементов в крови человека с антиоксидантными свойствами; n - количество измеренных химических элементов в крови человека, сравнивают с аналогичным соотношением химических элементов для «условно здорового человека», и при полученном значении АОЗ больше, чем значение АОЗ для «условно здорового человека», судят о снижении антиоксидантной защиты организма человека. Изобретение обеспечивает повышение объективности и достоверности оценки антиоксидантной защиты организма человека. 3 пр.

Изобретение относится к области медицины, конкретно к онкологии, и касается способа прогнозирования исходов мышечно-инвазивного рака мочевого пузыря. Способ включает проведение исследования активности 26S протеасом и содержания NF-кВ р65 и р50 в опухолевой ткани. При активности 26S протеасом более 18-1000 Ед/мг белка и при коэффициенте NF-кВ р65/р50 более 1,0 прогнозируют низкую вероятность развития рецидива; при активности 26S протеасом менее 18-1000 Ед/мг белка и при коэффициенте NF-кВ р65/р50 менее 1,0 прогнозируют высокую вероятность развития рецидива опухоли. Изобретение может быть использовано для определения прогрессирования заболевания в виде появления рецидивов опухоли после проведения трансуретральной резекции опухоли и полихимиотерапии по схеме M-VAC. Применение изобретения обеспечивает повышение точности и информативности прогнозирования исхода рака мочевого пузыря. 2 пр., 2 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для прогнозирования ранней стадии апоптоза лимфоцитов. Для этого выделяют клетки, инкубируют их 48 часов при температуре 37°C и 5% содержании CO2 с добавлением индуктора апоптоза дексаметазона в концентрации 10-4 моль/мл. Жизнеспособность лимфоцитов определяют количественно по включению трипанового синего с последующим определением концентрации восстановленного и окисленного глутатионов в лизате лимфоцитов после предварительной инкубации в течение 30 минут с 10 мМ 2-винилпиридина. Раннюю стадию апоптоза лимфоцитов прогнозируют при одновременном комплексном снижении концентрации восстановленного глутатиона на 17% и более и увеличении концентрации окисленного глутатиона на 19% и более по сравнению с контролем. Использование предлагаемого способа в медицинской практике позволяет прогнозировать статус антиоксидантной системы организма при различных заболеваниях по оценке ранней стадии апоптоза лимфоцитов. 1 табл.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки эффективности модели перекисного окисления липидов мембран лимфоцитов. Для этого предварительно обрабатывают лимфоциты перекисью водорода в конечной концентрации 0,5 мМ и определяют белково-связанный глутатион. При увеличении уровня белково-связанного глутатиона в 6 раз и более считают модель эффективной, а при увеличении уровня белково-связанного глутатиона в 2 раза и менее считают неэффективной. Изобретение позволяет оценить экспериментальную модель перекисного окисления липидов мембран лимфоцитов. 3 табл.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для защиты лимфоцитов от апоптоза. Для этого в инкубационную среду, содержащую лимфоциты, вводят 1,4-дитиоэритритол и аскорбиновую кислоту в конечной концентрации 3,0 ммоль и 0,1 ммоль соответственно. Изобретение позволяет защитить лимфоциты от апоптоза за счет комплексного применения аскорбата и протектора SH-групп -1,4-дитиоэритритола. 1 табл.

Изобретение относится к области лабораторной диагностики и может быть использовано в клинической практике для оценки эффективности антибактериальной терапии у больных с бактериальной инфекцией, в том числе с бактериальным сепсисом. Предложенный способ заключается в том, что в крови пациентов одновременно определяют концентрации пара-гидроксифенилуксусной, фенилмолочной и пара-гидроксифенилмолочной кислот. Если в течение 24-48 часов при повторном анализе крови суммарная концентрация трех измеряемых кислот снижается в 2 и более раз, а концентрации всех трех кислот раздельно имеют направленность к снижению, то антибактериальную терапию расценивают как эффективную. Способ может применяться для пациентов всех возрастных групп и позволяет уменьшить смертность от инфекционных заболеваний и осложнений. 4 ил., 4 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области медицины, а именно к оториноларингологии, и может использоваться для прогнозирования восстановления слуховой функции у больных с острой сенсоневральной тугоухостью (ОСНТ). Сущность способа: в ночной моче определяют уровень экскреции 6-сульфатоксимелатонина (6-СОМТ), основного метаболита мелатонина. При выявлении у пациентов 20-39 лет значения уровня экскреции 6-СОМТ выше 1254 нг/час, а у пациентов 40-59 лет выше 650,3 нг/час прогнозируют восстановление слуховой функции у больных с острой СНТ I-II ст. до нормальных порогов, а у больных с III ст. СНТ прогнозируют улучшение слуха на 25-40 дБ. Применение изобретения обеспечивает повышение чувствительности и точности способа прогнозирования восстановления слуховой функции у больных с ОСНТ, а также неинвазивность исследования. Изобретение повышает по сравнению со способом прототипом чувствительность способа на 84%, а точность - на 62%. 8 пр., 16 ил.

Группа изобретений относится к медицине и касается способа диагностики нарушения почек у собак, включающего стадию измерения уровня экспрессии группы биомаркеров в биологическом образце от собаки, где биомаркеры представляют собой кластерин (CLU), секретируемый связанный с frizzle белок-2 (SFRP2); матрилин-2 (Matn2); лумикан (LUM); декорин (DCN); альфа 1 (III) цепи коллаген, вариант 12 (COL3A1); ретинол-связывающий белок 4 (rbp4); ММР-9; трансферрин (TF); Аро-С-1 (АроС1); и ингибин-бета A (INHBA). Кроме того, группа изобретений относится к способу лечения, ослабления или замедления прогрессирования нарушения почек; зонду нуклеиновой кислоты, являющемуся фрагментированной кРНК и способному гибридизоваться с геном собаки; применению зонда для получения набора для применения в указанном выше способе. Группа изобретений обеспечивает диагностику нарушения почек у собак. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 пр., 5 табл.
Изобретение относится к области медицины и может найти применение для оценки действия цитомегаловирусной инфекции (ЦМВИ) на деформабельность эритроцитов в период гестации. Сущность способа: в третьем триместре гестации определяют титр антител к ЦМВИ, содержание аденозинтрифосфата, содержание актина в эритроцитах. При обострении ЦМВИ до титра антител 1:1600, снижении содержания АТФ до 0,40±0,02 мкмоль/л, уменьшении содержания актина в эритроцитах до 8,24±0,09% при контроле 9,30±0,08%, оценивают деформабельность эритроцитов до 0,04±0,0002 усл. ед., что создает угрозу формирования тканевой гипоксии в организме беременной. Снижение деформабельности эритроцитов приводит к нарушению их проходимости через узкие капилляры тканевых систем, что создает угрозу формирования тканевой гипоксии.
Изобретение относится к медицине и представляет собой способ прогнозирования развития полипозного риносинусита у больных бронхиальной астмой, который осуществляется путем определения в крови пациентов показателей эндотоксикоза: лейкоцитов, молекул средней массы, креатинина, мочевины и скорости оседания эритроцитов; прогноз осуществляют с помощью дискриминантного уравнения: D=6,900×лейкоциты(×10^9/л)+2,640×скорость оседания эритроцитов (мм/ч)+17,819×молекулы средней массы (ед. оп. пл.)+1,127×креатинин (мкмоль/л)+24,801×мочевина(ммоль/л), где D - дискриминантная функция с граничным значением, равным - 223,12; при D, равном или большим граничного значения, прогнозируют развитие полипозного риносинусита у больных бронхиальной астмой, а при D меньше граничного значения прогнозируют отсутствие полипозного риносинусита у больных бронхиальной астмой. Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение прогнозирования полипозного риносинусита у больных с бронхиальной астмой с повышенной точностью. 2 пр.
Наверх