способ определения вязкости крови в процессе венепункции

Формула изобретения

1. Способ измерения вязкости крови в процессе венепункции, включающий ввод в кровеносный сосуд медицинской иглы, соединенной с вакуумированной пробиркой, забор крови в вакуумированную пробирку, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют формирование быстрых периодических колебаний давления, создаваемых на входе иглы внутри вены путем многократного частичного пережатия кровеносного сосуда, формирование переменного во времени осциллирующего потока крови через иглу и формирование фазового сдвига между быстрыми периодическими колебаниями давления и пульсацией, по крайней мере, одного из трех параметров - скорости вытекания крови из иглы в вакуумированную пробирку, уровня крови в вакуумированной пробирке и давления газа в незаполненной части вакуумированной пробирки, по измерению которого рассчитывают вязкость крови.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что быстрые периодические колебания давления, создаваемые на входе иглы внутри вены, формируют с помощью вибратора или низкочастотного акустического излучателя, установленного на кровеносный сосуд и соединенного с измерителем разности фаз.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебание потока крови регистрируют с помощью датчика пульсаций, в качестве которого используют низкочастотный акустический датчик, соединенный с измерителем разности фаз.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют фазовый сдвиг с помощью измерителя разности фаз, в качестве которого используют фазометр или лучевой осциллограф.

5. Способ по пп.1, 4, отличающийся тем, что по измеренному фазовому сдвигу рассчитывают вязкость крови по формуле:



где - вязкость крови, мм²/с;

r₀ - радиус канала иглы, мм;

- круговая частота вибраций, Гц;

- фазовый сдвиг, рад.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют быстрые периодические колебания давления со сложным частотным спектром, содержащим высшие гармоники, при этом используют изменяющуюся во времени частоту колебаний перепада давления, а вязкость крови рассчитывают по измеренному частотно-зависимому фазовому сдвигу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биомедицинских технологий и может быть использовано для измерения вязкости крови в процессе венепункции, то есть одновременно с забором из кровеносного сосуда пробы для проведения стандартных анализов крови.

Таким образом, к обычно измеряемым параметрам крови добавляется еще один - вязкость крови. Важно, что при этом не требуется существенной модификации инструментов, используемых для взятия пробы.

Известно, что вязкость крови - это важный параметр, определяющий состояние и функционирование сердечно-сосудистой системы (Аникеева Т.В. Изменение реологических свойств крови при ишемической болезни сердца // Международный медицинский журнал. 2010. № 2. С.35-37). Для измерения используются вискозиметры, в которые проба крови помещается спустя некоторое время после ее извлечения из сосуда. Однако, как известно, живая кровь находится в метастабильном состоянии (Гурия Г.Т. Как теоретическая физика трактует явление свертывания крови. Наука 09 Сколково, Коммерсант. С.54-57, декабрь 2011), и сразу после извлечения из сосуда начинается процесс ее свертывания, если не консервировать кровь введением специальных антикоагулянтов (Баландина А.Н., Пантелеев М.А., Атауллаханов Ф.И. Система свертывания крови и ее регуляция. Природа. 2011. № 3. С.32-38). При этом вязкость крови сильно изменяется. Следовательно, лучшим способом определения вязкости будет ее измерение либо внутри кровеносного сосуда, либо в процессе взятия пробы для стандартного биохимического анализа. Измерения вязкости крови в процессе взятия пробы дают оценку истинного значения вязкости, не возмущенного процессом свертывания или биохимическими добавками, останавливающими процесс коагуляции.

Венепункции являются самыми распространенными медицинскими процедурами. Только в США их проводится порядка 1 млрд в год (Appold К. Important Updates Added to Standard That Details the Collection of Blood Specimens // LABMEDICINE. 2008. V.39. № 3. P.145-146). При оценке следует учитывать, что венепункции включают в себя и внутривенное вливание лекарственных препаратов, и переливание крови.

Известна информативность венепункции и широкий спектр параметров, определяемых при анализе крови. Всего насчитывается порядка тысячи параметров. Они составляют определенные группы по своему предназначению. Ряд анализов (в основном морфологического типа) объединяют названием «общий анализ крови». Другая группа анализов составляет «биохимический анализ крови». Имеются также иммунологические, серологические, анализы на онкомаркеры, на свертываемость крови и другие. Особое место по отношению к указанным анализам с их биомедикохимическим «смыслом» занимает измерение такой физической характеристики, как вязкость. Вязкостью крови стали интересоваться с начала прошлого века, причем именно с физической точки зрения. Уточняли само значение этого параметра, а также влияние на него двух основных структурных составляющих - плазмы и содержащихся в ней микрочастиц - клеток (см., например, Trevan J.W. The Viscosity of Blood // Biochem. J. 1918. V.12. № 1-2. P.60-71). Только в последней четверти прошлого века стало формироваться понимание существующих связей между варьируемыми значениями вязкости крови и проявлениями тех или иных заболеваний, прежде всего органов, имеющих прямое отношение к циркуляции крови (см., например, Аникеева Т.В. Изменение реологических свойств крови при ишемической болезни сердца // Международный медицинский журнал. 2010. № 2. С.35-37). В настоящее время наблюдается активная научная деятельность в этом направлении. Приобретаемые знания видоизменяют отношение к вязкости крови, переводя ее из разряда физических характеристик в класс медицинских показателей, предполагающих регулярный мониторинг.

Известен, например, способ измерения вязкости жидкости (крови), включающий зондирование потока жидкости импульсами ультразвуковых колебаний, прием отраженных сигналов, выделение спектра доплеровского сдвига частоты, определение по его характеристикам параметров потока и вычисление вязкости жидкости по формуле: =(v·d)/Re_кp, где - вязкость жидкости, v - средняя скорость потока (м/с); d - диаметр сосуда (м); Re_кр - критическое число Рейнольдса, посредством измерения скорости, при этом среднюю скорость потока измеряют в момент времени перехода от ламинарного потока к турбулентному (Re_кр~2300), определяемому по характеру спектрограммы потока жидкости: изменению скорости, неравномерности распределения мощности, наличию (отсутствию) обратного кровотока, в случае кратковременного пережатия магистрали выше (ниже) по потоку от места произведения измерения скорости (RU 97102542 А, кл. G01N 11/02, опубл. 10.10.1998 г.).

Недостатком известного способа является его неточность, поскольку вычисление вязкости предполагает знание величины параметра Re_кр, которая, на самом деле, точно неизвестна и, более того, сама определяется через вязкость (коэффициент вязкости) крови. Кроме этого, способ не предусматривает измерение вязкости крови в процессе взятия пробы (в процессе венепункции).

Известен неинвазивный способ определения вязкости крови, включающий регистрацию пульсовой волны и определение вязкости крови по амплитуде и форме ее заднего фронта путем сопоставления с калибровочными кривыми (RU 2125265, кл. G01N 33/49, A61B 5/00, опубл. 20.01.99 г.). Способ осуществляют с помощью модели сосудистого русла, состоящей из механической и электрической частей. Основы модели составляет замкнутый контур «кровообращения», в контур последовательно включена трубка - «артерия», расположенная свободно и прямолинейно на основании. В качестве движителя циркулирующей жидкости используют генератор пульсовой волны. Давление в контуре «кровообращения» измеряют ртутным манометром. Электронная часть модели состоит из преобразователя механических поперечных колебаний трубки - «артерии» в электрические сигналы регистрирующей аппаратуры. В качестве преобразователя используют емкостной датчик, модулирующий поступающие на него синусоидальные колебания на частоте 4 МГц с выхода высокочастотного генератора и детектор. Электрический сигнал с выхода детектора регистрируют цифровым осциллографом. Для измерения использовали два емкостных датчика-преобразователя, которые способны регистрировать форму и амплитуду пульсовой волны на любом расстоянии от пульсового насоса. При клиническом этапе исследований пульсовую волну регистрировали на лучевой артерии пациента с использованием механической и электронной частей установки. Полученную пульсовую волну сравнивали с калибровочными кривыми, соответствующими различным значениям вязкости крови. По амплитуде и форме механических колебаний оценивали значение вязкости крови, протекающей по сосуду.

Недостатком способа является его сложность из-за использования модели сосудистой системы, а также неточность из-за определения вязкости крови исходя из сравнения с калибровочными кривыми. Кроме этого, способ не предусматривает измерение вязкости крови в процессе взятия пробы (в процессе венепункции).

В патенте US 6066504 описана система электродов, которая обеспечивает количественное измерение изменения вязкости за некоторые интервалы времени, что является показателем коагуляции или лизиса пробы крови.

Недостатком способа является необходимость перемещения пробы крови в измерительную ячейку, в результате которого вязкость крови может измениться. При этом результат измерения вязкости может не соответствовать истинной вязкости крови в кровеносном сосуде.

В патенте WO 2002/086472 описано использование флуоресцентных молекулярных роторов, у которых меняется интенсивность флуоресценции в зависимости от вязкости среды. Изобретение дополнительно относится к классу молекулярных двигателей, которые при модифицированной углеводородной цепи или гидрофильной группе позволяют измерить вязкость мембраны или жидкости.

Недостатком способа является его сложность, связанная с необходимостью внесения в кровь молекулярных роторов и использованием точных приборов для измерений оптической флуоресценции.

Известен способ сертификации гемореологических нарушений при хирургическом лечении ишемической болезни сердца (RU 2155348 C2, кл. G01N 33/86, A61B 5/00, опубл. 27.08.2000 г.), при котором осуществляют исследование реологических свойств крови, в том числе и ее вязкости, в динамике на 5, 10, 15 и 30-й минуте реперфузионного периода. Исследование проводят на ротационном вискозиметре АРК-2. Для этого осуществляют забор крови из лучевой артерии через катетер, стабилизируют ее 3,8% раствором цитрата натрия и хранят с момента ее забора до проведения измерения при температуре +4 +10°C в течение не более 2-х часов, при этом образцы крови в объеме 0,8 мл заливают в пластмассовую измерительную ячейку, тестируют в течение 5 мин в термостате анализатора, а в ячейку, заполненную кровью, опускают сухой металлический цилиндр и критерием правильного заполнения измерительной камеры считают способность металлического цилиндра плавать в образце. Измерения ВЦК начинают с области высоких скоростей сдвига 200 с^-1 , затем 100 с^-1 и 20 с^-1. Общее время измерения при всех скоростях сдвига не превышает 10 мин.

Недостатком известного способа является его сложность, поскольку пробы крови переносят в пространстве и времени к соответствующему измерительному комплексу; при этом для остановки процесса свертывания крови образец модифицируют соответствующей порцией антикоагулянта. Таким образом, результаты измерения не соответствуют реальным значениям вязкости как из-за необратимых изменений структуры образца, так и по условиям его нахождения.

В работе Pirofsky В. The Determination of Blood Viscosity in Man by a Method Based on Poiseuille's Law // J. Clin. Invest. 1953. V.32. P.292-298 произведена оценка вязкости крови в процессе венепункции на основе закона Пуазейля по измерению вытекающей из иглы порции крови за определенное время. Однако использование «напрямую» только иглы и модели Пуазейля имеет много недостатков: это и медленность самой процедуры, и низкая точность и т.д.

Движение крови по внутреннему каналу введенной в вену иглы определяется соотношением давлений в локтевой вене (5-9 мм рт.ст. по отношению к атмосферному) и на внешнем конце иглы. В общем случае перепад давления изменяется во времени. Это изменение определяется технологией взятия пробы. На сегодняшний день наиболее распространены три технологии. Это: а) режим «самотека» при постоянном перепаде давления (используется, например, при взятии донорской крови); б) вытяжка определенной порции крови шприцем; в) современная технология взятия порции крови в вакуумированную пробирку. Два последних метода используют «вынуждающее» внешнее давление, медленно изменяющееся во времени.

Для свободного течения через иглу характерны следующие параметры. Радиус канала иглы обычно равен 0.4 мм, средняя скорость крови в игле 20 см/с. Скорость определена из данных работы (Pirofsky В. The Determination of Blood Viscosity in Man by a Method Based on Poiseuille's Law // J. Clin. Invest. 1953. V.32. P.292-298), где указано значение 0.1 см³/с для потока (объемного расхода) крови из вены через иглу в режиме «самотека». Отсюда также определяется характерное значение сдвига скорости 10³ с^-1, что дает основание полагать ~4 мм²/с (Каро К, Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981. 624 с). Эти данные дают оценку числа Рейнольдса Re=20, а «начальный» участок, на котором формируется Пуазейлевский профиль течения, при этом имеет протяженность 5r₀=2 мм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ забора крови в вакуумированную пробирку в процессе венепункции, информация о котором представлена в сети Интернет на сайтах: , VWOu05BQ&NR=1), принятый за ближайший аналог (прототип).

Способ по прототипу включает ввод в кровеносный сосуд медицинской иглы, соединенной с вакуумированной пробиркой, забор крови в вакуумированную пробирку для проведения стандартных анализов. При этом, чтобы измерить вязкость крови заполненные вакуумированные пробирки необходимо перенести в пространстве и времени к измерительному устройству (например, вискозиметру), а для остановки процесса свертывания крови образец крови необходимо модифицировать соответствующей порцией антикоагулянта.

Преимуществоми общим признаком с заявленным изобретением является использование вакуумированной пробирки.

Однако способ по прототипу не предусматривает проведение измерения вязкости крови непосредственно во время венепункции, что снижает точность измерения вязкости крови, увеличивает время проведения такого измерения и способствует его усложнению.

В задачу изобретения положено создание нового способа определения вязкости крови в процессе венепункции.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение точности измерения, сокращение времени проведения измерения и его упрощение.

Это достигается тем, что в способе измерения вязкости крови в процессе венепункции, включающем ввод в кровеносный сосуд медицинской иглы, соединенной с вакуумированной пробиркой, забор крови в вакуумированную пробирку, дополнительно осуществляют формирование быстрых периодических колебаний давления, создаваемых на входе иглы внутри вены путем многократного частичного пережатия кровеносного сосуда, формирование переменного во времени осциллирующего потока крови через иглу и формирование фазового сдвига между быстрыми периодическими колебаниями давления и пульсацией, по крайней мере, одного из трех параметров - скорости вытекания крови из иглы в вакуумированную пробирку, уровня крови в вакуумированной пробирке и давления газа в незаполненной части вакуумированной пробирки, по измерению которого рассчитывают вязкость крови; быстрые периодические колебания давления, создаваемые внутри вены, формируют с помощью вибратора, или низкочастотного акустического излучателя, установленного на кровеносный сосуд и соединенного с измерителем разности фаз; колебание потока крови регистрируют с помощью датчика пульсаций, в качестве которого используют низкочастотный акустический датчик, соединенный с измерителем разности фаз; измеряют фазовый сдвиг с помощью измерителя разности фаз, в качестве которого используют фазометр или лучевой осциллограф; по измеренному фазовому сдвигу рассчитывают вязкость крови по формуле:

,

где - вязкость крови, мм²/с, r₀ - радиус канала иглы, мм, - круговая частота вибраций, Гц, - фазовый сдвиг, рад; формируют быстрые периодические колебания давления со сложным частотным спектром, содержащим высшие гармоники, при этом используют изменяющуюся во времени частоту колебаний перепада давления, а вязкость крови рассчитывают по измеренному частотно-зависимому фазовому сдвигу.

На фиг.1 приведен схематический рисунок установки для реализации способа измерения вязкости крови в процессе венепункции.

Конструктивно установка для осуществления способа измерения вязкости крови в процессе венепункции на фиг.1 содержит:

1 - медицинскую иглу;

2 - вакуумированную пробирку;

3 - вибратор;

4 - датчик пульсаций;

5 - измеритель разности фаз.

Способ измерения вязкости крови в процессе венепункции состоит в дополнительной процедуре, основа которой - наложение на постоянный или медленно изменяющийся перепад давления между концами медицинской иглы 1, характерный для венепункции, быстрых периодических колебаний давления, создаваемых на входе иглы 1 (внутри вены) путем многократного частичного пережатия кровеносного сосуда. Такие колебания, формирующие искусственную пульсовую волну, можно возбудить прижав к вене вибратор 3 или низкочастотный акустический излучатель. При этом наряду с постоянным (или медленно изменяющимся) перепадом давления между концами медицинской иглы 1 появится пульсирующее (осциллирующее) давление:

При наличии пульсаций давления поток Q (объем крови, протекающей через поперечное сечение медицинской иглы 1 за единицу времени) будет содержать как постоянную, так и осциллирующую составляющую. Осциллирующая составляющая потока описывается выражением:

где - круговая частота вибраций, - плотность крови, L - длина канала. Из этой формулы видно, что между колебаниями давления и потока имеется фазовый сдвиг, равный . Фазовый сдвиг зависит от частоты , радиуса внутреннего канала иглы r₀ и от вязкости . Следовательно, вязкость может быть измерена по фазовой задержке вибраций потока, вызванных пульсовой волной. При этом для расчета вязкости следует использовать формулу:

Для типичных значений =4 мм²/с, r₀=0.4 мм и частоты вибраций =2 ·200 Гц получим оценку ~39.9° - это очень заметный, легко измеряемый сдвиг фаз. Поскольку входящие в эту формулу значения частоты и радиуса канала иглы r₀ известны, точность измерения вязкости определяется точностью измерения фазы . Как известно, эти измерения относятся к числу наиболее точных физических измерений и могут быть реализованы самыми разными способами.

Способ измерения вязкости крови в процессе взятия пробы осуществляют следующим образом.

Медицинскую иглу 1, соединенную с вакуумированной пробиркой 2, вводят в кровеносный сосуд, например в локтевую вену, и осуществляют забор крови в вакуумированную пробирку 2. Осуществляют формирование быстрых периодических колебаний давления, создаваемых на входе иглы 1 внутри вены, путем многократного частичного пережатия кровеносного сосуда, из которого осуществляют забор пробы, например с помощью вибратора 3, или низкочастотного акустического излучателя, установленного на кровеносный сосуд и соединенного с измерителем разности фаз 5. За счет этого кровь поступает в вакуумированную пробирку 2 с пульсацией трех величин: скорости вытекания крови из медицинской иглы 1 в вакуумированную пробирку 2, уровня крови в вакуумированной пробирке 2 и давления газа в незаполненной части вакуумированной пробирки 2. Таким образом формируют переменный во времени поток крови через медицинскую иглу 1, а также фазовый сдвиг между быстрыми периодическими колебаниями давления и пульсацией, по крайней мере, одного из этих трех параметров на «выходе» иглы. Колебание потока крови или любую из пульсаций трех указанных параметров регистрируют с помощью соответствующего датчика пульсаций 4, в качестве которого используют, например, низкочастотный акустический датчик, соединенный с измерителем разности фаз 5. Измеряют фазовый сдвиг с помощью измерителя разности фаз 5, в качестве которого используют, например, фазометр или лучевой осциллограф. Осуществляют расчет вязкости крови по измеренному фазовому сдвигу согласно формуле:

где - вязкость крови, мм²/с;

r ₀ - радиус канала иглы, мм;

- круговая частота вибраций, Гц;

- фазовый сдвиг, рад.

Для более точного определения вязкости крови по описанной процедуре могут варьировать давление на входном конце иглы не по гармоническому, а по более сложному периодическому закону со сложным частотным спектром, содержащим высшие гармоники. Также могут использовать изменяемую во времени частоту колебаний перепада давления, при этом вязкость рассчитывают по измеренному частотно-зависимому фазовому сдвигу. В некоторых случаях возможно использование импульсного изменения перепада давления.

Измерение вязкости крови в процессе венепункции с минимальной аппаратной «надстройкой» исключает модифицирование пробы крови антикоагулянтом, используют «живую» кровь в практически естественных условиях ее протекания по трубчатому каналу, что обеспечивает повышение точности измерения, сокращение времени измерения и его упрощение.

Точность метода определяется еще и тем, что в отличие от известных методов измерения вязкости здесь не требуется дополнительных данных об объеме протекающей крови, скорости протекания, длине трубки и других характеристиках. Не нужно измерять и амплитуду пульсаций давления. Несомненным преимуществом метода является его предельная простота и технологичность.