Неинвазивный масс-спектрометрический метод измерения чрезкожного выделения CO2

Создание простого, неинвазивного метода измерения чрезкожного выделения CO 2 является важной задачей для практической анестезиологии. Уровень чрезкожного выделения CO 2 является важным параметром оценки глубины анестезии при гипоксии или оценки состояния пациента при задержке дыхания.

Увеличение выдыхания пациентом CO 2 может быть результатом его повышенной продукции из-за недостаточной глубины анестезии, гипертермии, гиповентиляции, ухудшения перфузии или увеличения мертвого пространства из-за снижения сердечного выброса, легочной эмболии (закупорка тромбом артериального русла), а также возрастанием скорости метаболизма в результате реакции пациента на стрессовое воздействие (боль, страх, хирургическая травма и тому подобное) [1].

Чрезкожное выделение CO 2 является индикатором метаболических процессов, таких как доставка кислорода к тканям и кардиореспираторная функция [2].

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для разработки неинвазивной методики измерения чрезкожного выделения CO 2 был использован квадрупольный масс-спектрометр "Микропор" (АО "Научные приборы") с электронной ионизацией, оснащенный мембранным интерфейсом, который позволяет определять концентрацию выделенного через кожу СО 2 в широком динамическом диапазоне в режиме реального времени [3].

Мембранный интерфейс представляет собой вакуумную камеру объемом 2 см3. На стенке этой камеры расположен фланец с мембраной. В интерфейсе использовалась силиконовая (polydimethylsiloxane) мембрана толщиной 150 мкм (Specialty Silicone Products) и площадью 1 см2, которая фиксировалась на фланце интерфейса при помощи титановой пористой пластины с диаметром пор 200 мкм (см. рис. 1). Корпус интерфейса выполнен из высокопрочной пластмассы полиэфирэфирке-тон (PEEK). Интерфейс соединен с вакуумной камерой масс-спектрометра фторопластовой трубкой

Рис. 1. Вид масс-спектрометра "Микропор" с мембранным интерфейсом и капилляром

Рис. 2. Зависимость ионного тока детектора масс-спектрометра от концентрации пер-фторбутиламина длиной 80 см и внутренним диаметром 1 мм. Камера масс-спектрометра откачивалась при помощи турбомолекулярного насоса, со скоростью 80 л/с. Вакуум в камере масс-спектрометра составлял 2∙10–5 Торр.

Для калибровки квадрупольных масс-спектрометров используются модельные соединения, например, перфтортрибутиламин. Измерение концентрации перфтортрибутиламина проводилось в потоке азота 100–1000 мл/мин, который обеспечивался генератором микропотока ГГС-Р (ООО "Мониторинг"). Зависимость ионного тока от концентрации перфтортрибутиламина была получена по массовым пикам 131 m/z и 219 m/z в диапазоне концентраций от 1 мг/л до 7 мг/л (см. рис. 2).

Калибровка масс-спектрометра для измерения постоянной времени выполнена при помощи потока газовой смеси, содержащей СО 2 (N 2 — 65 об.%; O 2 — 30 об.%; СО 2 — 5 об.%) (АО "Научные приборы"). Трубка с газовой смесью была соединена с камерой на фланце, в которой был установлен газодинамический интерфейс. Калибровка масс-спектрометра для измерения концентрации чрезкожного выделения СО 2 была выполнена измерением времени натекания атмосферного воздуха через мембрану в камеру фиксированного объема, в которой было создано давление 10^–3 Торр.

На рис. 3 представлены результаты измерения постоянной времени измерений концентрации СО 2 при помощи мембранного интерфейса, которая определяется временем прохождения СО 2 через мембрану и капилляр и составила 25 с (см. рис. 3). Постоянная времени измерений была стабильна с точностью 2–3 % от амплитуды сигнала по своему значению для ряда импульсов (9 имп.).

а

б

Рис. 3. Временн ы е характеристики мембранног о интерфейса.

Постоянная времени мембранного интерфейса (а). Концетрация СО2 при подаче меандра газовой смеси на мембранный интерфейс (б)

Рис. 4. Зависимость концентрации СО 2 на коже левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при температуре тела 36.7 (1) и 45 ºС (2)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Чрезкожное выделение СО2 оценивалось на двух верхних конечностях на уровне верхней трети предплечья при условии нормальной комнатной температуры и нормальной температуры тела (рис. 4), а также при нагревании верхней конечности на уровне верхней трети медиальной поверхности правого предплечья до 45 °С. Для подтверждения воспроизводимости результатов измерения было выполнено 10 циклов измерений. Разброс результатов измерений концентрации СО2 составлял не более 4 %.

На рис. 4 представлен масс-спектр чрезкожного выделения CO 2 при различных условиях: 1 — в нормальных условиях (температура в помещении 22 °С, температура тела 36.7 °С); 2 — при моделировании изменений условий (температура верхней конечности — до 45 °С). Отношение интенсивностей выделения СО 2 при температурах 36.7 и 45 °С составляло по результатам 10 измерений 2.5 ± 0.3. Эффект увеличения чрезкожного выделения СО 2 обусловлен вазодилатацией кровеносных капилляров, вызванной увеличением проницаемости мембран эпителия под термическим воздействием.

В настоящей работе была разработана и применена методика регистрации СО 2 при исследовании реакции чрезкожного выделения в ответ на задержку дыхания длительностью до 60 с. Выполнено 15 измерений, типичные результаты 2 из них приведены на рис. 5 и 6. Было зарегистрировано, что в ответ на задержку через 8–10 с от начала задержки дыхания происходит снижение амплитуды чрезкожного выделения СО 2 в пределах 10 %. Возобновление дыхания с вероятностью 50 % сопровождалось, резким подъемом чрезкожного выделения СО 2 (см. рис. 5, 6). Затем происходит возвращение к прежним параметрам выделения углекислого газа. В результате этого исследования доказано, что задержка дыхания приводит к снижению чрезкожного выделения СО 2 и, таким образом, воздух из остаточного объема легких не участвует в процессе газового метаболизма и не приводит к чрезкожному выделению СО 2 .

левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при задержке дыхания на 80 с (реализация 1)

левой верхней конечности на уровне верхней трети предплечья при задержке дыхания на 80 с (реализация 2)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Разработан и показан метод неинвазивного измерения чрезкожного выделения CO 2 в режиме реального времени на основе масс-спектрометра. Была показана воспроизводимость результатов применения методики при определении чрезкожного выделения CO₂ на правой и левой верхней конечностях на уровне верхней трети. Показано, что выделение СО₂ увеличивается при согревании конечности, что, вероятнее всего, обусловлено увеличением капиллярного кровообращения конечности. Определено, что имеется зависимость чрезкожного выделения СО 2 от характера дыхания на примере задержки дыхания на 60 с. Продемонстрировано, что в случае задержки дыхания реакция чрезкожного выделения СО 2 на гипоксию регистрируется в пределах 10 с от начала.

Предложенный масс-спектрометрический метод неинвазивного мониторинга кожного дыхания в режиме реального времени позволяет не только создать прибор с широкими возможностями диагностики различных заболеваний на ранней стадии, но и разработать универсальный комплекс по экспресс-обна-ружению микропримесей в газовых смесях, который может использоваться в медицине, криминалистике, экологии, а также при оснащении лабораторий в ВУЗах для обучения студентов.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, проект 16-08-00537.