Шурыгин И. А.
Мониторинг дыхания: пульсоксиметрия, капнография, оксиметрия.
Compilated by Virus
СПб.: "Невский Диалект"; М.: "Издательство БИНОМ", 2000.- 301 с.: ил. Рецензент проф. В. С. Щелкунов
В книге впервые в России, представлена исчерпывающая информация о применении неинвазивного мониторинга дыхания в анестезиологии и интенсивной терапии. Подробно рассмотрены технические, физиологические и клинические аспекты трех основных методов - пульсоксиметрии, капнографии и оксиметрии. Большое внимание уделено способам правильной интерпретации данных мониторинга в различных клинических ситуациях. На многочисленных примерах показано, как использовать мониторы и мониторные комплексы в качестве надежных диагностических инструментов и извлекать из получаемых показателей максимум полезной информации. В заключительной части подробно освещены вопросы оснащения рабочих мест мониторной техникой, рассмотрены организационные и коммерческие стороны этой проблемы. Представленные сведения систематизированы, что обеспечивает их быстрое и полное усвоение читателем. Для анестезиологов, реаниматологов, интенсивистов, врачей скорой помощи и специалистов, использующих в работе методы мониторного контроля дыхания.
Пульсоксиметрия
Технология метода
Основу метода пульсоксиметрии составляет измерение поглощения света определенной длины волны гемоглобином крови. Гемоглобин служит своего рода фильтром, причем "цвет" и "толщина" этого естественного фильтра могут меняться.
"Цвет" фильтра зависит от количества кислорода, связанного с гемоглобином, или, иными словами, от процентного содержания оксигемоглобина. На этом базируется способность пульсок-симетра устанавливать степень оксигенации крови.
На изменения "толщины" фильтра влияет пульсация артериол: каждая пульсовая волна увеличивает количество крови в артериях и артериолах. Врач определяет это как пульс, а пульсок-симетр - как "утолщение" фильтра. Так измеряются частота пульса и амплитуда пульсовой волны.
Таким образом, применение одного принципа измерения позволяет определить сразу три диагностических параметра: степень насыщения гемоглобина крови кислородом, частоту пульса и его "объемную" амплитуду.
Поскольку измерение производится путем просвечивания тканей, метод получил название "трансмиссионная пульсоксиметрия". В настоящее время интенсивно разрабатывается другой вариант метода, заключающийся в анализе светового потока, отраженного тканями (отраженная пульсоксиметрия). Выпуск серийных приборов, работающих по этому принципу, освоен лишь несколькими фирмами.
"Цвет" фильтра зависит от количества кислорода, связанного с гемоглобином, или, иными словами, от процентного содержания оксигемоглобина. На этом базируется способность пульсок-симетра устанавливать степень оксигенации крови.
На изменения "толщины" фильтра влияет пульсация артериол: каждая пульсовая волна увеличивает количество крови в артериях и артериолах. Врач определяет это как пульс, а пульсок-симетр - как "утолщение" фильтра. Так измеряются частота пульса и амплитуда пульсовой волны.
Таким образом, применение одного принципа измерения позволяет определить сразу три диагностических параметра: степень насыщения гемоглобина крови кислородом, частоту пульса и его "объемную" амплитуду.
Поскольку измерение производится путем просвечивания тканей, метод получил название "трансмиссионная пульсоксиметрия". В настоящее время интенсивно разрабатывается другой вариант метода, заключающийся в анализе светового потока, отраженного тканями (отраженная пульсоксиметрия). Выпуск серийных приборов, работающих по этому принципу, освоен лишь несколькими фирмами.
Оксигемометрия
Заглянув внутрь датчика работающего пульсоксиметра, мы обнаружим источник красного света, который называется светодиодом (LED - light emitting diod). В действительности в датчике их два, и оба функционируют, но мы видим лишь красный свет, поскольку второй фотодиод дает невидимое глазом инфракрасное излучение.
На противоположной части датчика располагается фотодетектор, который определяет интенсивность падающего на него светового потока. Заметим, что фотодетектор измеряет излучение обоих светодиодов, а заодно способен улавливать и окружающий свет.
Когда между светодиодами и фотодетектором находится палец или мочка уха пациента, часть излучаемого света поглощается, рассеивается, отражается тканями и кровью, и световой поток, достигающий детектора, ослабляется.
Из всех этих явлений нас, конечно же, интересует поглощение светового потока кровью, протекающей по сосудам, и не всей кровью, а только артериальной, поскольку цель пульсоксиметрии - измерение степени насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом.
Гемоглобин - общее название белков крови, содержащихся в эритроцитах и состоящих из четырех цепочек бесцветного белка глобина, каждая из которых включает одну группу гема. Разновидности гемоглобина имеют собственные названия и обозначения (фетальный НЬ, MetHb и пр.).
Рис. 1.1. Датчик пульсоксиметра
Оксигемоглобин - полностью оксигенированный гемоглобин, каждая молекула которого содержит четыре молекулы кислорода (О2). Обозначается НЬО2.
Дезоксигемоглобин - гемоглобин, не содержащий кислорода. Называется также восстановленным, или редуцированным, гемоглобином и обозначается НЬ.
Ткани, через которые проходят оба световых потока, являются неизбирательным фильтром и равномерно ослабляют излучение обоих светодиодов. Степень ослабления зависит от толщины тканей, наличия кожного пигмента, лака для ногтей и прочих препятствий на пути света.
Гемоглобин, в отличие от тканей,- это цветной фильтр, причем на цвет фильтра влияет степень насыщения гемоглобина кислородом.
Дезоксигемоглобин, имеющий темно-вишневый цвет, интенсивно поглощает красный свет и слабо задерживает инфракрасный. Поэтому если на кровь, не содержащую кислорода, направить красный и инфракрасный свет, то первый будет почти полностью задержан, а второй - лишь несколько ослаблен.
И наоборот, оксигемоглобин хорошо рассеивает красный свет (и потому сам имеет красный цвет), но интенсивно поглощает инфракрасное излучение. О том, какой из двух световых потоков пройдет через оксигенированную кровь, мы предоставляем догадаться читателю.
Таким образом, соотношение двух световых потоков, дошедших до фотодетектора через мочку уха или палец, зависит от степени насыщения (сатурации) гемоглобина крови кислородом. По этим данным, используя специальный алгоритм, рассчитывают процентное содержание в крови оксигемоглобина.
Невольно возникает вопрос: если принцип измерения оксигенации крови так прост, то почему пульсоксиметры появились лишь в конце 80-х годов XX столетия?
На противоположной части датчика располагается фотодетектор, который определяет интенсивность падающего на него светового потока. Заметим, что фотодетектор измеряет излучение обоих светодиодов, а заодно способен улавливать и окружающий свет.
Когда между светодиодами и фотодетектором находится палец или мочка уха пациента, часть излучаемого света поглощается, рассеивается, отражается тканями и кровью, и световой поток, достигающий детектора, ослабляется.
Из всех этих явлений нас, конечно же, интересует поглощение светового потока кровью, протекающей по сосудам, и не всей кровью, а только артериальной, поскольку цель пульсоксиметрии - измерение степени насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом.
Гемоглобин - общее название белков крови, содержащихся в эритроцитах и состоящих из четырех цепочек бесцветного белка глобина, каждая из которых включает одну группу гема. Разновидности гемоглобина имеют собственные названия и обозначения (фетальный НЬ, MetHb и пр.).
Оксигемоглобин - полностью оксигенированный гемоглобин, каждая молекула которого содержит четыре молекулы кислорода (О2). Обозначается НЬО2.
Дезоксигемоглобин - гемоглобин, не содержащий кислорода. Называется также восстановленным, или редуцированным, гемоглобином и обозначается НЬ.
Ткани, через которые проходят оба световых потока, являются неизбирательным фильтром и равномерно ослабляют излучение обоих светодиодов. Степень ослабления зависит от толщины тканей, наличия кожного пигмента, лака для ногтей и прочих препятствий на пути света.
Гемоглобин, в отличие от тканей,- это цветной фильтр, причем на цвет фильтра влияет степень насыщения гемоглобина кислородом.
Дезоксигемоглобин, имеющий темно-вишневый цвет, интенсивно поглощает красный свет и слабо задерживает инфракрасный. Поэтому если на кровь, не содержащую кислорода, направить красный и инфракрасный свет, то первый будет почти полностью задержан, а второй - лишь несколько ослаблен.
И наоборот, оксигемоглобин хорошо рассеивает красный свет (и потому сам имеет красный цвет), но интенсивно поглощает инфракрасное излучение. О том, какой из двух световых потоков пройдет через оксигенированную кровь, мы предоставляем догадаться читателю.
Таким образом, соотношение двух световых потоков, дошедших до фотодетектора через мочку уха или палец, зависит от степени насыщения (сатурации) гемоглобина крови кислородом. По этим данным, используя специальный алгоритм, рассчитывают процентное содержание в крови оксигемоглобина.
Невольно возникает вопрос: если принцип измерения оксигенации крови так прост, то почему пульсоксиметры появились лишь в конце 80-х годов XX столетия?
Краткая история метода
Первая попытка гемоксиметрии относится к 1874 году, когда Вирордт обнаружил, что поток красного света, проходя через кисть, ослабевает после наложения жгута. В 30-60-х годах нашего века предпринимается множество попыток создать устройство для быстрого выявления гипоксемии (отметим прибор, сделанный Карлом Мэттесом в Лейпциге в 1936 году, и гемокси-метр, сконструированный Гленом Милликаном в Кембридже в 1940 году, предназначенный для диагностирования гипоксии у пилотов). Важность применения гемоксиметров в операционной впервые доказал Эрл Вуд, руководитель исследовательской группы клиники Мэйо, который в 1951 году писал: "Во многих случаях этот инструмент определял аноксемию, когда пульс, кровяное давление и цвет кожи оставались без изменений".
Широкому распространению гемоксиметров в те годы препятствовали два обстоятельства.
Во- первых, приборы были громоздкими и неудобными. Компактных электронных схем не существовало (микропроцессоры появились гораздо позже), свет нужных длин волн получали с помощью светофильтров, установленных в датчике, а процедуры калибровки были слишком сложны для повседневной работы.
Второе обстоятельство заключалось в диагностической ценности результатов гемоксиметрии. Световой поток, проходя через ткани, встречает на своем пути не только артериальную, но также венозную и капиллярную кровь, а значит, результат измерения зависит как от насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом, так и от состояния периферического кровотока и метаболизма тканей. Эту проблему пытались решать, нагревая мочку уха с помощью термоэлемента, чтобы вызвать гиперемию и сделать локальный кровоток явно избыточным по отношению к метаболическим потребностям тканей ("артериализация" венозной крови). Датчики становились еще более громоздкими, а мониторинг иногда заканчивался ожогами. "Конечно, возможно, что когда-нибудь создадут монитор для обнаружения артериальной десатурации, но в связи с серьезными практическими проблемами разработка такого устройства в наше время кажется делом невероятным",- писал в своей книге Дж. Ф. Нанн, не предполагая, что всего через 6 лет появится первая действующая модель пульсоксиметра.
В 1972 году Такуо Аояги, инженер японской корпорации NIHON KOHDEN, изучавший неинвазивный метод измерения сердечного выброса, обнаружил, что по колебаниям абсорбции света, вызванной пульсацией артериол, можно рассчитать оксигенацию именно артериальной крови. Необходимость в нагреве тканей отпала, и прибором стали измерять именно то, что от него требовалось. Такова история становления пульсоксиметрии и первого пульсоксиметра (модель OLV-5100), выпущенного корпорацией NIHON KOHDEN в 1975 году. Этот прибор не нуждался в калибровках, но в качестве источника света в нем по-прежнему использовалась система светофильтров. Особого успеха на рынке он не имел, однако начало было положено.
Необходимо отметить, что в те же годы эту тему в Японии разрабатывала корпорация MINOLTA. Ее модель Oximet MET-1471 со стекловолоконным кабелем, передающим световые потоки светодиодов от монитора к пальцевому датчику, была выпущена в 1977 году.
Через несколько лет американский исследователь Скотт Вилбер использовал принцип Т. Аояги, но взял в качестве источников излучения светодиоды, что позволило создать легкий и компактный ушной датчик. В этом отношении пульсоксиметрии повезло: спектр поглощения гемоглобина случайно оказался в диапазоне излучения кремниевых светодиодов, обладающих поистине бесценными достоинствами: миниатюрностью, надежностью, ничтожным потреблением энергии и способностью давать очень яркое излучение в узком диапазоне частот.
Кроме того, С. Вилбер впервые употребил для калибровки монитора и обработки данных микропроцессор, а также запатентовал собственный алгоритм расчета сатурации. Объединение принципа Т. Аояги и полупроводниковых технологий позволило С. Вилберу создать первый пульсоксиметр современного образца. К его производству приступила компания BIOX, которая за это вскоре была поглощена корпорацией OHMEDA.
К 1990 году выпуском пульсоксиметров занимались уже более 30 фирм, а объем годовых продаж достиг 65 тыс. единиц.
Итак, чем же отличается пульсоксиметрия от своей предшественницы - гемоксиметрии? Знать приведенные ниже технико-физиологические подробности полезно, чтобы правильно пользоваться прибором и не совершать типичных ошибок.
Широкому распространению гемоксиметров в те годы препятствовали два обстоятельства.
Во- первых, приборы были громоздкими и неудобными. Компактных электронных схем не существовало (микропроцессоры появились гораздо позже), свет нужных длин волн получали с помощью светофильтров, установленных в датчике, а процедуры калибровки были слишком сложны для повседневной работы.
Второе обстоятельство заключалось в диагностической ценности результатов гемоксиметрии. Световой поток, проходя через ткани, встречает на своем пути не только артериальную, но также венозную и капиллярную кровь, а значит, результат измерения зависит как от насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом, так и от состояния периферического кровотока и метаболизма тканей. Эту проблему пытались решать, нагревая мочку уха с помощью термоэлемента, чтобы вызвать гиперемию и сделать локальный кровоток явно избыточным по отношению к метаболическим потребностям тканей ("артериализация" венозной крови). Датчики становились еще более громоздкими, а мониторинг иногда заканчивался ожогами. "Конечно, возможно, что когда-нибудь создадут монитор для обнаружения артериальной десатурации, но в связи с серьезными практическими проблемами разработка такого устройства в наше время кажется делом невероятным",- писал в своей книге Дж. Ф. Нанн, не предполагая, что всего через 6 лет появится первая действующая модель пульсоксиметра.
В 1972 году Такуо Аояги, инженер японской корпорации NIHON KOHDEN, изучавший неинвазивный метод измерения сердечного выброса, обнаружил, что по колебаниям абсорбции света, вызванной пульсацией артериол, можно рассчитать оксигенацию именно артериальной крови. Необходимость в нагреве тканей отпала, и прибором стали измерять именно то, что от него требовалось. Такова история становления пульсоксиметрии и первого пульсоксиметра (модель OLV-5100), выпущенного корпорацией NIHON KOHDEN в 1975 году. Этот прибор не нуждался в калибровках, но в качестве источника света в нем по-прежнему использовалась система светофильтров. Особого успеха на рынке он не имел, однако начало было положено.
Необходимо отметить, что в те же годы эту тему в Японии разрабатывала корпорация MINOLTA. Ее модель Oximet MET-1471 со стекловолоконным кабелем, передающим световые потоки светодиодов от монитора к пальцевому датчику, была выпущена в 1977 году.
Через несколько лет американский исследователь Скотт Вилбер использовал принцип Т. Аояги, но взял в качестве источников излучения светодиоды, что позволило создать легкий и компактный ушной датчик. В этом отношении пульсоксиметрии повезло: спектр поглощения гемоглобина случайно оказался в диапазоне излучения кремниевых светодиодов, обладающих поистине бесценными достоинствами: миниатюрностью, надежностью, ничтожным потреблением энергии и способностью давать очень яркое излучение в узком диапазоне частот.
Кроме того, С. Вилбер впервые употребил для калибровки монитора и обработки данных микропроцессор, а также запатентовал собственный алгоритм расчета сатурации. Объединение принципа Т. Аояги и полупроводниковых технологий позволило С. Вилберу создать первый пульсоксиметр современного образца. К его производству приступила компания BIOX, которая за это вскоре была поглощена корпорацией OHMEDA.
К 1990 году выпуском пульсоксиметров занимались уже более 30 фирм, а объем годовых продаж достиг 65 тыс. единиц.
Итак, чем же отличается пульсоксиметрия от своей предшественницы - гемоксиметрии? Знать приведенные ниже технико-физиологические подробности полезно, чтобы правильно пользоваться прибором и не совершать типичных ошибок.
Принцип пульсоксиметрии
На рис. 1.2 условно, в виде слоев, показаны препятствия, которые световые потоки, излучаемые светодиодами, встречают на пути к фотодетектору.
Рис. 1.2. Поглощение световых потоков от светодиодов тканями
Свет частично рассеивается, поглощается и отражается тканями пальца или мочки уха. Напомним, что красный и инфракрасный потоки при прохождении через ткани ослабляются в равной степени. Толщина этого биологического фильтра в каждом случае индивидуальна, но при стабильном положении датчика практически постоянна. Она легко учитывается пульсоксиметром, который настраивает интенсивность свечения светодиодов, чтобы излучаемый ими свет мог в достаточном количестве проникать сквозь толщу тканей. Однако при движении больного или смещении датчика расстояние между светодиодами и фотодетектором становится непостоянным, что приводит к появлению артефактов.
Следующее препятствие на пути светового потока - венозная и капиллярная кровь - первый избирательный фильтр, который ослабляет красное и инфракрасное излучение неодинаково. Соотношение величин двух световых потоков, прошедших через данный фильтр, зависит от концентрации окси- и дезоксигемоглобина в крови. Но поскольку пульсация венул и капилляров незначительна, объем крови, содержащийся в них, можно считать постоянной величиной, которая просто измеряется и легко учитывается при расчетах.
Однако если датчик слишком сильно сдавливает палец или мочку уха, тем самым нарушая отток крови от тканей, пульсация артериального кровотока способна передаваться на вены. Пульсоксиметр не отличает пульсацию артерий от пульсации вен, а потому начинает включать в расчет абсорбцию света венозной кровью, занижая результат. Это необходимо иметь в виду при установке датчика.
Артефактное занижение SpO 2может происходить и при выраженной вазодилатации, когда артериолы перестают сглаживать периферический кровоток и пульсации крови достигают венул. Еще одна вероятная причина пульсации вен, влияющей на точность работы пульсоксиметра,- недостаточность трикуспидального клапана, при которой каждое сокращение правого желудочка сопровождается регургитацией крови в венозную систему.
Такое явление наблюдается не только при органических пороках сердца, но и при острой дилатации правого желудочка, например при массивной тромбоэмболии легочной артерии. Сходные по природе артефакты возникают и в момент кашля, порождающего мощные волны давления в венозной системе (в чем нетрудно убедиться, покашляв после подключения пульсоксиметра).
Высокие венозные волны могут появляться на фотоплетизмограмме, если датчик находится значительно ниже уровня сердца. Чтобы самому убедиться в этом, достаточно встать и опустить руку с датчиком вниз. Во многих случаях такой маневр сопровождается удвоением частоты пульса и занижением сатурации. Поэтому некоторые фирмы рекомендуют располагать руку с помещенным на ней датчиком на уровне сердца.
К сожалению, распознать такого рода артефакты в клинических условиях непросто. Для этого требуется синхронное инвазивное или лабораторное измерение S»02. Лишь в единичных моделях пульсоксиметров есть специальные программы анализа сигнала и обнаружения артефактов. Вот почему в случаях, описанных выше, ориентироваться на показания пульсоксиметра следует с осторожностью.
Перед тем как принять в расчет показания монитора, обратите внимание на форму фотоплетизмограммы. При наличии дополнительных волн и пиков воздержитесь от выводов и действий, основанных на показаниях пульсоксиметра.
Если степень гипоксемии, выявленная пульсоксиметром, переполняет чашу Вашего терпения и требует незамедлительных действий, определите газовый состав артериальной крови: РaО2 - самый надежный показатель, который не подведет.
Следующий слой на схеме - это кровь, остающаяся в артериолах к концу каждой пульсации, своего рода "конечно-систолический объем" артериального русла. Поглощение световых потоков данным слоем содержит столь нужную информацию об артериальном оксигемоглобине, однако извлечь ее невозможно: непульсирующий компонент артериального объема также рассматривается пульсоксиметром лишь как досадная помеха на пути к цели.
Итак, из трех вышеназванных слоев выходят два - по-разному ослабленных, но постоянных - световых потока. Вся эта история обретает смысл после того, как они проникают через последний слой - кровь, пульсирующую в артериях.
В момент, предшествующий сердечному сокращению, ослабление световых потоков обусловлено первыми тремя слоями:
на фотодиод падает излучение, которое пульсоксиметр расценивает как фоновое. Когда до артерий доходит очередная пульсовая волна, объем крови в них увеличивается и поглощение света изменяется. На пике пульсовой волны различие между фоновым и текущим током фотодетектора становится максимальным. Пульсоксиметр измеряет это различие и считает, что причина его - в дополнительном количестве артериальной крови, появившейся на пути излучения. Этой информации оказывается достаточно, чтобы по специальному алгоритму рассчитать степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом. К сожалению, сам принцип измерения является источником многих артефактов, потому что любые быстрые изменения сигнала, независимо от их происхождения, монитор может расценить как исходную информацию для расчета Sp02.
В различных моделях пульсоксиметров степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом (в % от общего содержания гемоглобина) обозначается неодинаково:
SAT - сатурация (насыщение);
НЬО2- процентное содержание НЬО2 от общего количества гемоглобина;
Sа02 - насыщение артериальной крови кислородом;
SpO2 - насыщение артериальной крови кислородом, измеренное методом пульсоксиметрии.
Последнее обозначение - наиболее употребляемое и самое корректное, поскольку предполагает, что результат измерения зависит от особенностей метода. Например, SpO2 при наличии в крови карбоксигемоглобина будет выше истинной величины SaO2, измеренной лабораторным методом.
В общении с коллегами частое применение правильных, но длинных выражений, типа "сатурация гемоглобина артериальной крови кислородом" или "процентное содержание оксигемоглобина в артериальной крови", поможет быстро завоевать репутацию зануды и умника. Понимая это, многие врачи для удобства в разговоре и записях прибегают к сокращениям, которые не всегда оказываются удачными ("сатурация кислорода" и пр.). Возникновение профессионального жаргона неизбежно, но он не должен искажать суть явления. Говоря о физиологическом процессе, лучше пользоваться словами "оксигенация артериальной крови", а сам параметр SpO2 обозначать термином "сатурация", подразумевая, что речь идет именно о кислороде и артериальной крови. Для записей в историях болезни идеально подходит обозначение "Sp02".
В современных моделях пульсоксиметров пульсация артериол выводится на дисплей в виде кривой. Поскольку эта кривая отражает колебания объема артериального русла, измеренные фотометрическим методом, она называется фотоплетизмограммой (ФПГ). Типичная форма ФПГ показана на рис. 1.3. Диагностическое значение ФПГ мы будем обсуждать ниже, здесь же остановимся на вопросе о скорости реакции пульсоксиметра на колебания сатурации.
Рис. 1.3. Дисплей пульсоксиметра
Казалось бы, данная реакция должна быть мгновенной, так как расчет сатурации производится микропроцессором незамедлительно. В действительности же информация о снижении или повышении SaOa отражается на дисплее с некоторой задержкой; в отдельных случаях она составляет несколько десятков секунд. Главная причина задержки заключается в том, что датчик монитора измеряет сатурацию на самой периферии кровеносного русла, да в к тому же нередко устанавливается на самых удаленных от центра частях тела - пальцах.
При каждом сердечном сокращении волна давления распространяется по артериям с очень большой скоростью, и интервал между тонами сердца и волнами на ФПГ исчисляется долями секунды. Поэтому можно считать, что фотоплетизмограмма колеблется практически синхронно с сердечными сокращениями. Но скорость кровотока значительно ниже скорости распространения волн давления в сосудах, а порция крови, оттекающей от сердца, передает информацию о гипоксемии лишь тогда, когда доходит до периферии и попадает в поле зрения датчика. Поверхностные волны от чернил, вылитых в ведро воды, "добегают" до его краев гораздо быстрее, чем краска.
Итак, скорость реакции пульсоксиметра на изменения SpO2 определяется линейной скоростью артериального кровотока, которая, в свою очередь, зависит от сердечного выброса и просвета сосудов. В норме кровь очередного ударного объема достигает пальцевого датчика через 3-5 с, а ушного - через 2-3 с после сердечного сокращения, но при выраженной периферической вазоконстрикции или гипокинетическом состоянии кровообращения этот интервал может увеличиваться до 20-30 с, а иногда и до 1-1,5 мин.
При нарушениях кровообращения ушной датчик реагирует быстрее и надежнее, чем пальцевой.
Пульсоксиметр способен рассчитывать Sp02 по каждой волне ФПГ, а частоту пульса - по каждому интервалу между волнами, однако если бы все эти данные выводились на дисплей, то полезная информация потонула бы в пляске цифр. Пульсоксиметр показывает усредненные параметры за некоторый период наблюдения. В разных моделях этот период составляет от 3 до 20 с или от 2 до 20 циклов. В простейших моделях интервал обновления данных задается жестко и обычно равняется 5 с. При наличии усовершенствованного монитора врач имеет возможность изменять период усреднения. Длительный интервал (10-20 с) позволяет точнее определять частоту пульса при брадикардии и аритмиях, но скорость реакции прибора на изменение Sp02 снижается. При тахикардии целесообразнее уменьшить интервал обновления данных, а в остальных случаях лучше выбирать средний вариант (4-6 с). И хотя в рекламных материалах возможность изменения интервала обновления данных подчеркивается как достоинство модели, на практике к ней прибегают не столь уж часто.
Таким образом, время реакции числового дисплея монитора на внезапное изменение сатурации складывается из (1) времени кровотока на участке "сердце-палец" и (2) интервала обновления данных на дисплее.
Пульсоксиметр отражает на дисплее уровень сатурации с задержкой в пределах от 10 с до 1,5 мин.
Поэтому не удивляйтесь, если уровень сатурации при острой гипоксемии продолжает снижаться в течение какого-то времени после увеличения концентрации кислорода в дыхательной смеси.
В потенциально опасных ситуациях, когда счет идет на секунды, например при трудной интубации трахеи или при аспирации мокроты из трахеобронхиального дерева у тяжелых больных, всегда имейте в виду эту поправку и прекращайте процедуру раньше, чем показания пульсоксиметра достигнут предельно допустимого уровня.
В некоторых моделях мониторов предусмотрена возможность изменять временной масштаб экрана. При медленном движении фотоплетизмограммы на дисплее помещается большое количество волн. Такой масштаб удобен, когда необходимо проанализировать выраженность аритмии, дыхательные волны, артефакты и другие изменения ФПГ в пределах нескольких соседних циклов. И наоборот, ускоренное прохождение сигнала по дисплею позволяет оценить форму каждой отдельной волны. Обычно же следует выбирать нормальную скорость движения кривой.
Свет частично рассеивается, поглощается и отражается тканями пальца или мочки уха. Напомним, что красный и инфракрасный потоки при прохождении через ткани ослабляются в равной степени. Толщина этого биологического фильтра в каждом случае индивидуальна, но при стабильном положении датчика практически постоянна. Она легко учитывается пульсоксиметром, который настраивает интенсивность свечения светодиодов, чтобы излучаемый ими свет мог в достаточном количестве проникать сквозь толщу тканей. Однако при движении больного или смещении датчика расстояние между светодиодами и фотодетектором становится непостоянным, что приводит к появлению артефактов.
Следующее препятствие на пути светового потока - венозная и капиллярная кровь - первый избирательный фильтр, который ослабляет красное и инфракрасное излучение неодинаково. Соотношение величин двух световых потоков, прошедших через данный фильтр, зависит от концентрации окси- и дезоксигемоглобина в крови. Но поскольку пульсация венул и капилляров незначительна, объем крови, содержащийся в них, можно считать постоянной величиной, которая просто измеряется и легко учитывается при расчетах.
Однако если датчик слишком сильно сдавливает палец или мочку уха, тем самым нарушая отток крови от тканей, пульсация артериального кровотока способна передаваться на вены. Пульсоксиметр не отличает пульсацию артерий от пульсации вен, а потому начинает включать в расчет абсорбцию света венозной кровью, занижая результат. Это необходимо иметь в виду при установке датчика.
Артефактное занижение SpO 2может происходить и при выраженной вазодилатации, когда артериолы перестают сглаживать периферический кровоток и пульсации крови достигают венул. Еще одна вероятная причина пульсации вен, влияющей на точность работы пульсоксиметра,- недостаточность трикуспидального клапана, при которой каждое сокращение правого желудочка сопровождается регургитацией крови в венозную систему.
Такое явление наблюдается не только при органических пороках сердца, но и при острой дилатации правого желудочка, например при массивной тромбоэмболии легочной артерии. Сходные по природе артефакты возникают и в момент кашля, порождающего мощные волны давления в венозной системе (в чем нетрудно убедиться, покашляв после подключения пульсоксиметра).
Высокие венозные волны могут появляться на фотоплетизмограмме, если датчик находится значительно ниже уровня сердца. Чтобы самому убедиться в этом, достаточно встать и опустить руку с датчиком вниз. Во многих случаях такой маневр сопровождается удвоением частоты пульса и занижением сатурации. Поэтому некоторые фирмы рекомендуют располагать руку с помещенным на ней датчиком на уровне сердца.
К сожалению, распознать такого рода артефакты в клинических условиях непросто. Для этого требуется синхронное инвазивное или лабораторное измерение S»02. Лишь в единичных моделях пульсоксиметров есть специальные программы анализа сигнала и обнаружения артефактов. Вот почему в случаях, описанных выше, ориентироваться на показания пульсоксиметра следует с осторожностью.
Перед тем как принять в расчет показания монитора, обратите внимание на форму фотоплетизмограммы. При наличии дополнительных волн и пиков воздержитесь от выводов и действий, основанных на показаниях пульсоксиметра.
Если степень гипоксемии, выявленная пульсоксиметром, переполняет чашу Вашего терпения и требует незамедлительных действий, определите газовый состав артериальной крови: РaО2 - самый надежный показатель, который не подведет.
Следующий слой на схеме - это кровь, остающаяся в артериолах к концу каждой пульсации, своего рода "конечно-систолический объем" артериального русла. Поглощение световых потоков данным слоем содержит столь нужную информацию об артериальном оксигемоглобине, однако извлечь ее невозможно: непульсирующий компонент артериального объема также рассматривается пульсоксиметром лишь как досадная помеха на пути к цели.
Итак, из трех вышеназванных слоев выходят два - по-разному ослабленных, но постоянных - световых потока. Вся эта история обретает смысл после того, как они проникают через последний слой - кровь, пульсирующую в артериях.
В момент, предшествующий сердечному сокращению, ослабление световых потоков обусловлено первыми тремя слоями:
на фотодиод падает излучение, которое пульсоксиметр расценивает как фоновое. Когда до артерий доходит очередная пульсовая волна, объем крови в них увеличивается и поглощение света изменяется. На пике пульсовой волны различие между фоновым и текущим током фотодетектора становится максимальным. Пульсоксиметр измеряет это различие и считает, что причина его - в дополнительном количестве артериальной крови, появившейся на пути излучения. Этой информации оказывается достаточно, чтобы по специальному алгоритму рассчитать степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом. К сожалению, сам принцип измерения является источником многих артефактов, потому что любые быстрые изменения сигнала, независимо от их происхождения, монитор может расценить как исходную информацию для расчета Sp02.
В различных моделях пульсоксиметров степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом (в % от общего содержания гемоглобина) обозначается неодинаково:
SAT - сатурация (насыщение);
НЬО2- процентное содержание НЬО2 от общего количества гемоглобина;
Sа02 - насыщение артериальной крови кислородом;
SpO2 - насыщение артериальной крови кислородом, измеренное методом пульсоксиметрии.
Последнее обозначение - наиболее употребляемое и самое корректное, поскольку предполагает, что результат измерения зависит от особенностей метода. Например, SpO2 при наличии в крови карбоксигемоглобина будет выше истинной величины SaO2, измеренной лабораторным методом.
В общении с коллегами частое применение правильных, но длинных выражений, типа "сатурация гемоглобина артериальной крови кислородом" или "процентное содержание оксигемоглобина в артериальной крови", поможет быстро завоевать репутацию зануды и умника. Понимая это, многие врачи для удобства в разговоре и записях прибегают к сокращениям, которые не всегда оказываются удачными ("сатурация кислорода" и пр.). Возникновение профессионального жаргона неизбежно, но он не должен искажать суть явления. Говоря о физиологическом процессе, лучше пользоваться словами "оксигенация артериальной крови", а сам параметр SpO2 обозначать термином "сатурация", подразумевая, что речь идет именно о кислороде и артериальной крови. Для записей в историях болезни идеально подходит обозначение "Sp02".
В современных моделях пульсоксиметров пульсация артериол выводится на дисплей в виде кривой. Поскольку эта кривая отражает колебания объема артериального русла, измеренные фотометрическим методом, она называется фотоплетизмограммой (ФПГ). Типичная форма ФПГ показана на рис. 1.3. Диагностическое значение ФПГ мы будем обсуждать ниже, здесь же остановимся на вопросе о скорости реакции пульсоксиметра на колебания сатурации.
Казалось бы, данная реакция должна быть мгновенной, так как расчет сатурации производится микропроцессором незамедлительно. В действительности же информация о снижении или повышении SaOa отражается на дисплее с некоторой задержкой; в отдельных случаях она составляет несколько десятков секунд. Главная причина задержки заключается в том, что датчик монитора измеряет сатурацию на самой периферии кровеносного русла, да в к тому же нередко устанавливается на самых удаленных от центра частях тела - пальцах.
При каждом сердечном сокращении волна давления распространяется по артериям с очень большой скоростью, и интервал между тонами сердца и волнами на ФПГ исчисляется долями секунды. Поэтому можно считать, что фотоплетизмограмма колеблется практически синхронно с сердечными сокращениями. Но скорость кровотока значительно ниже скорости распространения волн давления в сосудах, а порция крови, оттекающей от сердца, передает информацию о гипоксемии лишь тогда, когда доходит до периферии и попадает в поле зрения датчика. Поверхностные волны от чернил, вылитых в ведро воды, "добегают" до его краев гораздо быстрее, чем краска.
Итак, скорость реакции пульсоксиметра на изменения SpO2 определяется линейной скоростью артериального кровотока, которая, в свою очередь, зависит от сердечного выброса и просвета сосудов. В норме кровь очередного ударного объема достигает пальцевого датчика через 3-5 с, а ушного - через 2-3 с после сердечного сокращения, но при выраженной периферической вазоконстрикции или гипокинетическом состоянии кровообращения этот интервал может увеличиваться до 20-30 с, а иногда и до 1-1,5 мин.
При нарушениях кровообращения ушной датчик реагирует быстрее и надежнее, чем пальцевой.
Пульсоксиметр способен рассчитывать Sp02 по каждой волне ФПГ, а частоту пульса - по каждому интервалу между волнами, однако если бы все эти данные выводились на дисплей, то полезная информация потонула бы в пляске цифр. Пульсоксиметр показывает усредненные параметры за некоторый период наблюдения. В разных моделях этот период составляет от 3 до 20 с или от 2 до 20 циклов. В простейших моделях интервал обновления данных задается жестко и обычно равняется 5 с. При наличии усовершенствованного монитора врач имеет возможность изменять период усреднения. Длительный интервал (10-20 с) позволяет точнее определять частоту пульса при брадикардии и аритмиях, но скорость реакции прибора на изменение Sp02 снижается. При тахикардии целесообразнее уменьшить интервал обновления данных, а в остальных случаях лучше выбирать средний вариант (4-6 с). И хотя в рекламных материалах возможность изменения интервала обновления данных подчеркивается как достоинство модели, на практике к ней прибегают не столь уж часто.
Таким образом, время реакции числового дисплея монитора на внезапное изменение сатурации складывается из (1) времени кровотока на участке "сердце-палец" и (2) интервала обновления данных на дисплее.
Пульсоксиметр отражает на дисплее уровень сатурации с задержкой в пределах от 10 с до 1,5 мин.
Поэтому не удивляйтесь, если уровень сатурации при острой гипоксемии продолжает снижаться в течение какого-то времени после увеличения концентрации кислорода в дыхательной смеси.
В потенциально опасных ситуациях, когда счет идет на секунды, например при трудной интубации трахеи или при аспирации мокроты из трахеобронхиального дерева у тяжелых больных, всегда имейте в виду эту поправку и прекращайте процедуру раньше, чем показания пульсоксиметра достигнут предельно допустимого уровня.
В некоторых моделях мониторов предусмотрена возможность изменять временной масштаб экрана. При медленном движении фотоплетизмограммы на дисплее помещается большое количество волн. Такой масштаб удобен, когда необходимо проанализировать выраженность аритмии, дыхательные волны, артефакты и другие изменения ФПГ в пределах нескольких соседних циклов. И наоборот, ускоренное прохождение сигнала по дисплею позволяет оценить форму каждой отдельной волны. Обычно же следует выбирать нормальную скорость движения кривой.
Погрешности и их источники
Потенциальная возможность возникновения погрешностей заложена как в самом принципе измерения Sp02 и частоты пульса, так и в его технической реализации. Вред, который они причиняют в операционных и палатах интенсивной терапии, достаточно серьезен:
• ложная информация иногда приводит к принятию неправильных решений;
• частая необоснованная активация аларма снижает доверие медперсонала к методу в целом;
• на беспокойный монитор перестают обращать внимание, и появление реальной опасности остается незамеченным;
• частая ложная активация аларма провоцирует нехорошее, но вполне естественное желание отключить аларм-систему (что во многих случаях и предпринимается);
• работающий монитор становится дополнительным источником раздражающего шума.
Специальные исследования, выполненные за рубежом, показали, что пульсоксиметры являются источником более чем половины всех тревожных звуковых сигналов, раздающихся в стандартно оборудованных отделениях интенсивной терапии. При этом в 95 % случаев причиной активации аларма пульсоксиметра служит не реальная опасность, а артефакты(показания монитора, которые обусловлены не истинными значениями параметров, а действием посторонних факторов) или неправильная настройка аларм-системы. Приблизительно в 60 % случаев персонал отключает ее, не пытаясь разобраться в том, почему произошло срабатывание. С одной стороны, это проблема поведения человека в атмосфере, перенасыщенной технологиями, с другой - явный намек разработчикам приборов для мониторинга.
Наибольшая склонность к отображению артефактной информации отмечается у простейших моделей пульсоксиметров, не имеющих специальных систем защиты от помех. Лишь в последние годы появились эффективные программы анализа сигнала, способные не только распознавать артефакты, но также выделять и отображать на дисплее достоверную информацию даже в крайне неблагоприятных условиях работы. В частности, применение технологии SET (signal extraction technology) американской фирмы MASIMO позволяет уменьшить частоту активизации аларма на 93 % по сравнению с исходной, причем исключительно за счет подавления артефактов. Эффективные программы подавления артефактов работают также в мониторах фирм BCI и CURATIVUS. Но все-таки чаще приходится работать с мониторами, реагирующими на артефакты не менее бурно, чем на реальную опасность. Поэтому анестезиолог должен знать типичные причины возникновения артефактов и уметь их распознавать.
Погрешности, связанные с освещением. При взгляде на светодиоды датчика может создаться впечатление, что они излучают непрерывный поток света. На самом деле это не так: фотодиоды по очереди мигают с высокой частотой, измеряемой сотнями герц. Согласно требованиям Международной организации стандартов (ISO) частота засветки должна быть кратной частоте электросети, чтобы мерцание электрических ламп не влияло на процесс измерения.
Каждый цикл датчика состоит из трех фаз. Сначала на тысячные доли секунды включается красный светодиод, и фотодетектор измеряет падающий на него поток красного света, а также окружающий свет, проникающий в датчик извне. Затем то же самое проделывает инфракрасный светодиод, после чего оба диода гаснут. В этот момент фотодетектор измеряет фон - окружающий свет, достигающий фотодетектора,- который исключается программой из расчета SpO2. Поэтому датчики многих пульсоксиметров можно помещать на освещенные места без ущерба для результата. Правда, несмотря на эти хитрости, свет отдельных типов ламп все же способен существенно искажать показания пульсоксиметра. Данным свойством обладают, в частности, мерцающий в физиологическом диапазоне частот свет ксеноновых ламп, а также излучение некоторых инфракрасных светильников. Пульсоксиметры различных фирм неодинаково реагируют на помехи такого рода.
• ложная информация иногда приводит к принятию неправильных решений;
• частая необоснованная активация аларма снижает доверие медперсонала к методу в целом;
• на беспокойный монитор перестают обращать внимание, и появление реальной опасности остается незамеченным;
• частая ложная активация аларма провоцирует нехорошее, но вполне естественное желание отключить аларм-систему (что во многих случаях и предпринимается);
• работающий монитор становится дополнительным источником раздражающего шума.
Специальные исследования, выполненные за рубежом, показали, что пульсоксиметры являются источником более чем половины всех тревожных звуковых сигналов, раздающихся в стандартно оборудованных отделениях интенсивной терапии. При этом в 95 % случаев причиной активации аларма пульсоксиметра служит не реальная опасность, а артефакты(показания монитора, которые обусловлены не истинными значениями параметров, а действием посторонних факторов) или неправильная настройка аларм-системы. Приблизительно в 60 % случаев персонал отключает ее, не пытаясь разобраться в том, почему произошло срабатывание. С одной стороны, это проблема поведения человека в атмосфере, перенасыщенной технологиями, с другой - явный намек разработчикам приборов для мониторинга.
Наибольшая склонность к отображению артефактной информации отмечается у простейших моделей пульсоксиметров, не имеющих специальных систем защиты от помех. Лишь в последние годы появились эффективные программы анализа сигнала, способные не только распознавать артефакты, но также выделять и отображать на дисплее достоверную информацию даже в крайне неблагоприятных условиях работы. В частности, применение технологии SET (signal extraction technology) американской фирмы MASIMO позволяет уменьшить частоту активизации аларма на 93 % по сравнению с исходной, причем исключительно за счет подавления артефактов. Эффективные программы подавления артефактов работают также в мониторах фирм BCI и CURATIVUS. Но все-таки чаще приходится работать с мониторами, реагирующими на артефакты не менее бурно, чем на реальную опасность. Поэтому анестезиолог должен знать типичные причины возникновения артефактов и уметь их распознавать.
Погрешности, связанные с освещением. При взгляде на светодиоды датчика может создаться впечатление, что они излучают непрерывный поток света. На самом деле это не так: фотодиоды по очереди мигают с высокой частотой, измеряемой сотнями герц. Согласно требованиям Международной организации стандартов (ISO) частота засветки должна быть кратной частоте электросети, чтобы мерцание электрических ламп не влияло на процесс измерения.
Каждый цикл датчика состоит из трех фаз. Сначала на тысячные доли секунды включается красный светодиод, и фотодетектор измеряет падающий на него поток красного света, а также окружающий свет, проникающий в датчик извне. Затем то же самое проделывает инфракрасный светодиод, после чего оба диода гаснут. В этот момент фотодетектор измеряет фон - окружающий свет, достигающий фотодетектора,- который исключается программой из расчета SpO2. Поэтому датчики многих пульсоксиметров можно помещать на освещенные места без ущерба для результата. Правда, несмотря на эти хитрости, свет отдельных типов ламп все же способен существенно искажать показания пульсоксиметра. Данным свойством обладают, в частности, мерцающий в физиологическом диапазоне частот свет ксеноновых ламп, а также излучение некоторых инфракрасных светильников. Пульсоксиметры различных фирм неодинаково реагируют на помехи такого рода.