APARATE PENTRU MONITORIZARE SI PENTRU LABORATOR CLINIC

APARATE PENTRU MONITORIZARE SI PENTRU LABORATOR CLINIC

Determinarea transcutanata a presiunii oxigenului

Determinarea presiunii partiale a oxigenului din sange ofera informatii despre descompunerea enzimatica a combinatiilor oxigenului cu diferite substraturi, prin care energia solara este folosita de celulele organismelor. Practic se calculeaza presiunea partiala a O₂ in tesuturile nervoase, musculare s.a., curba de disociere a oxihemoglobinei, consumul tisular de O₂ pe baza diferentei arterio-venoase si se studiaza echilibrul acido-bazic.

Un oximonitor transcutanat determina in mod neinvaziv presiunea partiala a oxigenului (pO₂) la suprafata pielii folosind un traductor special termostatat (tip Clark) (Figura 1, Gli88 ). Monitorizarea pO₂ transcutane arata legatura cu pO₂ arterial, ambele indicand functionarea aparatului respirator si circulator, anume difuzia prin membrana alveocapilara, procentajul hemoglobinei sanguine sau o serie de tulburari circulatorii.

Principiul aparatului are la baza constatarea ca pO₂ transcutan se apropie, in anumite conditii, de valoarea pO₂ arterial. Daca in conditii normale de temperatura (37^oC) difuzia O₂ din capilare spre exterior este foarte redusa (< 7 mmHg), provocand o hipertermie (43-45^oC) in locul aplicarii traductorului, O₂ difuzeaza prin piele mult mai bine si devine accesibil masurarii.

Curentul furnizat de traductor, de ordinul nA, este proportional cu pO₂ din zona cercetata. El este amplificat, prelucrat analogic si digital, rezultatele fiind afisate numeric. Simultan, la nevoie, se semnalizeaza depasirea unor limite prestabilite ale pO₂. Deoarece pO₂ masurat depinde de temperatura, datorita variatiei conductiei ionice in electrolizorul traductorului, este necesara termostatarea acestuia.

Parametrii tehnici principali ai aparatului sunt: domeniul de masura a pO₂: 0.800 mmHg; eroarea de neliniaritate: 2%; timpul de raspuns la pO₂: 15 s; precizia de masurare a temperaturii traductorului: 0,2 ^oC; semnale de iesire (pO₂, P-puterea traductorului, Tm, AL) in domeniul 0.1 V.

Figura 1 Schema bloc a unui oximonitor transcutanat

Monitor de respiratie

Monitorizarea frecventei respiratorii, ale carei limite de alarmare superioara si inferioara pot fi stabilite de utilizator, este foarte utila mai ales in sectiile de chirurgie si de noi nascuti (Figura 2).

Semnalul produs de traductorul capacitiv este amplificat de amplificatorul de c.a. (A), care poate decela semnalul util de impulsurile ce provin din miscarea pacientului, tuse etc. Un detector de varf transforma semnalul analogic in impulsuri tip "respiratie", care sunt transmise prin optocuplorul OC₂ catre unitatea centrala de prelucrare, UC. Impulsurile parazite, tip "agitatie", au aceeasi destinatie, via OC₃. Optocuplorul OC₁ reda aproximativ pneumograma subiectului investigat. UC monitorizeaza un timp prestabilit (de exemplu 1 min.) toate semnalele, dupa care afiseaza valorile de interes (medie, maxima, minima etc.). Aceeasi UC compara numarul de impulsuri de respiratie si timpul de apnee cu cele prestabilite si la nevoie declanseaza alarma optica si apoi pe cea acustica.

Traductorul, de tip capacitiv, este montat sub pacient. Valoarea instantanee a capacitatii traductorului, care depinde de pozitia centrului de greutate al corpului sau intr-un ciclu de respiratie, este data de formula

C = C₀ + C_S + C_R sin w_Rt

in care w_R este pulsatia respiratiei, C₀ este capacitatea traductorului netensionat, C_S - modificarea capacitatii datorata greutatii pacientului iar C_R - amplitudinea variatiei capacitatii datorata respiratiei. Traductorul poate fi dublat si de unul de tip rezistiv, realizat cu un termistor care sesizeaza variatiile de temperatura ale aerului inspirat / expirat.

Figura 2 Schema bloc a unui monitor de respiratie

Monitor de pat asistat de microprocesor

~n sectiile de anestezie si terapie intensiva (ATI) monitorizarea pacientilor este o activitate primordiala. Functie de specificul clinicii, echipamentele de monitorizare pot urmari, in afara parametrilor uzuali (ECG, ritmurile cardiac si respirator, presiunea, temperatura), si o serie de parametri specifici, cum sunt pO₂, pCO₂, EEG s.a.

Echipamentele de monitorizare includ doua tipuri de aparate: monitoarele de pat si centrala de supraveghere. Monitoarele de pat achizitioneaza si prelucreaza semnalele electrofiziologice de la fiecare pacient in parte, iar centrala cumuleaza datele de la monitoarele pe care le serveste si permite observarea simultana a pacientilor intregii sectii. ~n plus, calculatorul din componenta centralei permite calcule statistice si de predictie asupra starii bolnavilor, pe diferite perioade de timp.

Monitorul de pat prezentat in Figura 3, de constructie indigena Gli88 , contine o parte flotanta si una neflotanta. Ansamblul etajelor flotante cuprinde:

amplificatorul ECG

amplificatorul de semnal respirator

canalul de presiune, care contine un traductor tensiometric, amplificatorul tensiunii de dezechilibru a traductorului, un detector sensibil la faza si un amplificator final;

canalul de temperatura, care cuprinde surse de curent pentru alimentarea traductoarelor rezistive cu termistor, un multiplexor analogic si un amplificator de curent continuu;

multiplexorul analogic, care selecteaza marimea ce va fi convertita, o memoreaza analogic si asigura frecventele de esantionare pentru semnalul ECG (400 Hz) si pentru ceilalti parametri (100 Hz);

convertorul A/D pe 10 biti, un circuit specializat;

convertorul paralel-serie transforma informatia din structura paralel in una seriala in vederea transmisiei spre sistemul de calcul;

blocul de control este o masina asincrona care produce comenzile pentru MUX analogic si pentru convertorul paralel-serie;

alimentatorul partii flotante, un generator de impulsuri cu transformator pe iesire, al carui secundar se afla in partea flotanta.

Partea neflotanta contine un sistem biprocesor "master / slave", precum si interfete standard (tastatura, afisaj).

Sistemul "master" are urmatoarele functii: preia datele referitoare la biosemnale din memoria sistemului "slave", gestioneaza interfata cu tastatura de comanda, produce semnalele de deflexie X, Y, Z pentru afisare pe osciloscop, ordoneaza prioritatile (citire tastatura, calcul ritm cardiac, calcul ritm respirator, afisare semnale analogice, afisare tabele de date) si asigura interfatarea seriala cu un microcalculator. Sistemul "master" contine, in varianta standard, o unitate centrala, o memorie EPROM pentru programe, o memorie RAM (memorie operativa si pentru afisarea celor trei semnale), circuite de decodificare, de interfatare, controlorul de intreruperi si de sistem, blocul generarii bazelor de timp si afisarii datelor, toate pilotate de un generator de ceas.

Figura 3 Schema bloc a unui monitor de pat

Sistemul "slave" achizitioneaza datele, reconstruieste semnalele analogice ECG si respirator pentru monitorul TV, liniarizeaza caracteristica termistorului-traductor de temperatura si incarca memoria de lucru a blocului de transmisie pentru afisare prin standard TV. Circuitele fizice sunt similare sistemului "master". ~n plus, el mai contine convertorul serie-paralel si doua porturi I/E: portul 1 preia datele si le transfera in memoria de lucru; portul 2 - de iesire - transfera datele spre convertorul D/A si, cu semnalele de control, actioneaza comutatorul analogic care separa semnalul ECG de cel respirator. La iesirile circuitelor de esantionare/memorare (S&H) se obtin cele doua unde anterioare. Blocul de transmisie, optional cu interfata seriala RS 232C, asigura codificarea TV a informatiei. Un calculator extern transmite un semnal complex de sincronizare (pe linii, cadre si de sincronizare). Datele sunt intercalate intre impulsurile de sincronizare, permitandu-se astfel cuplarea prin inseriere a opt monitoare de pat care isi afiseaza datele in zone rezervate pe ecran. Pot fi transmise astfel patru derivatii ECG, semnalul respirator, de presiune si patru temperaturi.

Hemoglobinometrul electronic

Hemoglobina (Hb) este principala componenta a globulei rosii si ea asigura fixarea, transportul si cedarea oxigenului catre tesuturi. Concentratia hemoglobinei in sange arata capacitatea respiratorie a acestuia. Hemoglobina si derivatele sale prezinta benzi de absorbtie in spectrul vizibil, care pot fi identificate prin spectroscopia sangelui. Exprimata in procentaj fata de valoarea normala (14-16 gr. la 100 cm³ de sange), hemoglobina poate fi determinata cu aparatul numit hemoglobinometru, prin metodele colorimetrica si fotocolorimetrica. Ultima metoda este mai precisa si mai rapida.

Hemoglobinometrul electronic are ca principiu de masura calculul fluxului luminos monocromatic de la iesirea unui strat de substanta colorata, de grosime d. Conform legii Beer-Lambert, daca fluxul de lumina are la intrare valoarea F , la iesire el va avea marimea F_d data de formula

,

in care a este absorbitivitatea specifica, c este concentratia substantei, A = acd se numeste grad de absorbtie (densitate optica) iar F_d F =T este transmitanta. Evident, A = lg (1/T). Aparatul masoara transmitanta T pe o scara liniara iar densitatea optica A, pe scara logaritmica.

Concentratia de hemoglobina se determina cu formula

C = A / a d = k A,

unde k este factor de scala, determinat experimental utilizand diferite solutii de hemoglobina avand concentratii cunoscute. Domeniul spectral de interes, in care densitatea benzilor de absorbtie a hemoglobinei si derivatelor sale este maxima, este de 530.580 nm.

~n Figura 4: ST este stabilizator de tensiune, B - bec 12 V, F - filtru optic, E - eprubeta cu proba de sange, CF - celula fotovoltaica, AD - amplificator de c.c., P₁ si P₂ - potentiometre pentru reglajul de "0%" (datorat luminii parazite), respectiv de "100%". Caracteristica spectrala a celulei fotovoltaice trebuie sa aiba maximumul in domeniul spectral de interes. Sensibilitatea masurarii, desi teoretic este proportionala cu absorbitivitatea a si cu lungimea drumului fluxului luminos, d, este limitata de o crestere prea mare a lui d, ceea ce reduce F_d

Figura 4 Schema bloc a unui hemoglobinometru electronic

Aparat pentru determinarea glicemiei

Determinarea rapida, precisa si automata a glicemiei este de mare importanta atat pentru diabetici, cat si in cazuri de coma avand cauze neprecizate. Masurarea si controlul precis ale glicemiei, in vederea administrarii la timp a insulinei, contribuie la mentinerea unei stari cvasinormale a activitatii pacientului, mai ales in cazuri de diabet instabil (ce implica variatii mari si rapide ale glicemiei). ~n plus, se evita sau se amana complicatiile care survin adesea in functionarea aparatului vizual, a rinichilor sau a sistemului nervos.

Principiul de functionare a unui aparat pentru masurarea glicemiei are la baza efecte colorimetrice care apar odata cu reflexia luminii pe o suprafata colorata. Traductorul specific sesizeaza modificarea culorii unei benzi reactive pe care se aplica o picatura de sange, in functie de cantitatea de glucoza prezenta. Cunoscand corespondenta culoare-concentratie, semnalul de la traductor este prelucrat si afisat direct sub forma concentratiei de glucoza din sange (Figura 5).

~n figura: T este traductorul, O - oscilator, AEM - amplificator cu esantionare / memorare, I - inversor, CAN - convertor analog / numeric, AS - afisaj numeric, CT - circuit de temporizare, SA - sursa de alimentare. Aparatul prezentat este de constructie indigena (Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca).

Oscilatorul produce impulsuri dreptunghiulare de frecventa 700.1000 Hz si factor de umplere de 50%, care sunt preluate de traductor si de AEM, ultimul realizand si o detectie sincrona. ~n traductor aceste impulsuri se transforma in impulsuri de lumina, care se reflecta pe proba de analizat si sunt modulate in amplitudine si in spectru. Fluxul luminos modulat este transformat de traductor in semnal electric a carui amplitudine depinde de proba de masurat. AEM amplifica aceste impulsuri de tensiune si detecteaza sincron informatia utila. La iesirea AEM rezulta un nivel de tensiune continua, invers proportionala cu glicemia. Este preferabila directa proportionalitate, lucru obtinut de catre inversorul I. Pana la conversia A/N, semnalul mai este filtrat trece-banda iar brumul retelei se inlatura cu un filtru rejector.

Reactia de culoare necesita un timp de 60 secunde, timp prestabilit cu ajutorul temporizatorului CT. Dupa un minut proba se introduce in traductor, masurarea si afisarea glicemiei fiind practic instantanee.

Traductorul colorimetric poate fi realizat cu un LED si un fototranzistor, cuplate optic prin proba de masura pe care se reflecta lumina generata de LED. Parametrii culorii pusi in evidenta de traductor sunt nuanta si saturatia. Nuanta indica senzatia de culoare si este caracterizata de lungimea de unda dominanta, l_d. Pentru proba de sange nuanta variaza intre albastru si verde sau galben, corespunzand un domeniu spectral de 460.600 nm. Saturatia arata intensitatea senzatiei de culoare. Ea se exprima, invers proportional, prin gradul de diluare cu alb a culorii dominante pure. Caracteristica spectrala de reflexie depinde puternic de l_d a fasciculului incident. Folosirea unui LED in domeniul rosu (l_d=680 nm) ofera metodei o sensibilitate marita. Functionarea in impulsuri asigura eliminarea influentei fondului luminos si, in plus, reduce solicitarea termica a LED-ului.

Semnalul provenit de la traductor, T(l), este dat de formula

T l) = I(l) S(l) P(l

in care I(l) este caracteristica spectrala a sursei luminoase (LED), S(l) este sensibilitatea fotodetectorului, iar P(l) reprezinta caracteristica probei de masura. Deoarece I(l) si S(l) sunt cunoscute, iesirea traductorului depinde doar de P(l

Figura 5 Schema bloc a unui aparat pentru determinarea glicemiei

Alte aparate biomedicale de laborator

Instrumentatia laboratorului clinic a cunoscut in ultimele decenii o dezvoltare impresionanta, aportul electronicii, tehnicii de calcul si informaticii fiind adeseori decisiv in atingerea unor performante remarcabile.

Analiza sangelui este de departe cea mai importanta activitate de laborator. Pentru aceasta se folosesc urmatoarele tipuri de aparate electronice:

colorimetrul (filtru fotometrul ) masoara concentratia culorii unei substante in solutie, sub actiunea unui reactiv chimic. Rezultatele se afiseaza in termeni de transmitanta sau absorbanta si indica, de exemplu, concentratia de hemoglobina;

flamfotometrul este un aparat eletrooptic care masoara intensitatea culorii (concentratia) unei substante (de exemplu Na sau K) ce a fost aspirata de o flacara;

spectrofotometrul este un dispozitiv electrooptic care masoara absorbtia de lumina, pe diferite lungimi de unda, pentru un esantion de lichid oarecare;

analizorul de celule sanguine masoara densitatea volumica a celulelor rosii sau albe, in doua moduri: (i) metoda impedantei de apertura (Coulter) determina variatia impedantei electrice la trecerea celulelor printr-un orificiu de diametru fix; (ii) flow-citometria foloseste dispersia unui fascicul laser;

analizorul de pH/gaz sanguin masoara pH-ul sangelui si presiunile partiale de O₂ si CO₂, folosind traductori cu electrozi de sticla;

cromatograful este un aparat electronico-mecanic care masoara concentratia substantelor in mediu lichid, dupa separarea si identificarea acestora; rezultatele sunt afisate numeric sau ca benzi colorate pe hartie;

autoanalizorul este un aparat electronico-mecanic care masoara secvential si afiseaza chimia sanguina; foloseste bai de amestec, centrifuge si colorimetre dispuse serial.

Principiul colorimetrului, precum si o schema simplificata, au fost prezentate intr-un paragraf anterior (4).

Flamfotometrul

~n Figura 6 ( Car98 ) flacara de referinta are culoare rosie, provenita de la o sare de litiu. Prezenta Na sau a K in solutia-esantion este semnalata prin detectia culorii galben, respectiv violet, de catre fotodetectorul 2. Este necesara o calibrare initiala, in maniera de la colorimetru, si ea trebuie refacuta continuu. Rezultatul masurarii este afisarea concentratiei de Na sau K. Mentenanta include reglajul calibrarii si inlocuirea fotodetectorilor.

Procedura de calibrare consta in urmatoarele etape:

intrarea neinversoare a AO se pune la masa si se ajusteaza din R₄ pana se obtine la iesirea AO tensiunea de 0 V ( 5 mV);

se revine la montajul din figura si, avand referinta V_R , se ajusteaza din R₁ pana se obtine la iesirea AO tensiunea de 0 V ( 10 mV);

se citeste concentratia de Na si K pe display, care este data de tensiunea de dezechilibru a puntii.

Figura 6 Schema simplificata a unui flamfotometru

Spectrofotometrul

Spectrofotometrul este un aparat ce determina componenta unei substante lichide si concentratiile unor compusi din acea substanta (Figura 7). Monocromatorul foloseste o retea de difractie / prisma pentru dispersia luminii de la sursa in componentele sale spectrale, care ajung pe esantionul din cuva. Oglinda reduce marimea dispozitivului. Unghiul retelei de difractie determina lungimea de unda (l), daca ceilalti parametri sunt ficsi. Intensitatea luminii la iesirea din cuva, sensibilitatea fotodetectorului si absorbtia in substanta variaza cu l, ceea ce necesita calibrarea de zero pentru fiecare l masurata. Varianta cu fascicul dublu realizeaza automat autocalibrarea de zero.

Figura 7 Spectrofotometru - schema simplificata

Numaratoare de celule sanguine

(i)     Metoda Coulter (variatia impedantei de apertura) se bazeaza pe marirea rezistivitatii electrice a celulelor sanguine fata de rezistivitatea solutiei in care acestea sunt diluate. Senzorul este un vas bicameral, in care sangele diluat trece dintr-un compartiment in altul printr-un orificiu de cca. 50 mm (Figura 8). O sursa de curent constant, A₁ si doi electrozi (calea electrozi-orificiu avand rezistenta R_A) formeaza un ohmetru. ~n absenta sangelui in apertura, rezistenta masurata este

R r _f L / A

in care r_f este rezistivitatea fluidului, L este distanta dintre electrozi si A este aria orificiului. Variatia lui R la trecerea unei particule sanguine prin gaura este

,

unde K este rezistenta gaurii raportata la volumul sau, v este volumul celulei sanguine si x este raportul intre aria sectiunii transversale a celulei si aria aperturii. Datorita sursei de curent constant, caderea de tensiune pe R_A este functie doar de valoarea lui R_A. Amplificatorul diferential A₁ transforma impulsurile de curent in impulsuri de tensiune, care sunt prelucrate ca in Figura 9.

Figura 8 Principiul numaratorului de celule sanguine (modelul Coulter)

Figura 9 Numarator de celule sanguine (folosind impedanta de apertura)

Detectorul de prag este un comparator fereastra, care rejecteaza semnalele din afara unui domeniu de tensiuni pozitive, astfel eliminandu-se artefactele de tip zgomot. Iesirea detectorului, amplificata, se aplica unui numarator digital si intrarii Z a osciloscopului (modulatia stralucirii spotului). Circuitul de control produce impulsuri de START/STOP pentru numarator, declansarea bazei de timp a osciloscopului si comanda pompa care misca fluidul din vas. Excitarea cu sursa de curent de RF permite si discriminarea intre diferite tipuri de celule.

(ii) Sensorul unui flow-citometru optic (Figura 10) consta dintr-un tub de cuart prevazut cu o zona de focalizare hidrodinamica. O sectiune de 18-20 mm a zonei de trecere a celulelor este iluminata cu un fascicul laser He-Ne. Lumina imprastiata de o celula este detectata cu doi fotosensori aflati la 90⁰. Proba de sange este divizata in doua cai: una este in legatura cu un numarator de celule albe (ca mai sus), iar cealalta se subdivide inca in doua - una pentru masurarea hemoglobinei si alta pentru numararea celulelor rosii pe baza unui detector optic.

Numarul de celule este dat de formula urmatoare:

,

unde r     este rata impulsurilor la iesire, k este viteza (m/s), K este volumul sectiunii de masurare iar X reprezinta concentratia celulelor. Produsul KX este probabilitatea coincidentei ca umplerea volumului sensibil sa fie sesizata de fotodetector. Pentru valori mici ale acestui produs, r este proportional cu KX.

Numarul celulelor, dupa formula de mai sus, este afectat de zgomot si de coincidenta a doua celule in volumul sensibil. Probabilitatea coincidentei este produsul dintre rata celulelor si latimea impulsurilor de numarare, t. Prin urmare, rata de mai sus trebuie corectata cu marimea

r_C = r / (1 t

Figura 10 Sensorul flow-citometrului optic

Cromatograful

Este un aparat complex, necesar separarii si identificarii componentelor substantelor lichide sau gazoase, prin una din metodele urmatoare:

cromatograful cu coloana de lichid filtreaza lichidul in sens descendent printr-un tub, iar benzile astfel formate, ca si timpul de curgere, indica tipul substantei;

cromatograful cu partitie a fazelor separa faza lichida de cea solida, cu ajutorul unor filtre sau al unor cilindri gauriti de hartie

cromatograful cu gaz are functionare similara celui cu lichid. Variantele sunt cromatograful cu absorbtie gaz-solid sau absorbtie gaz-lichid.

Autoanalizorul

Chimismul sanguin este analizat secvential prin mixare, reactii cu reactivi si masurari colorimetrice. Un autoanalizor contine urmatoarele componente (Figura 11):

sampler-ul aspira probele si realizeaza solutiile apoase;

pompa de mixare si variatorul adauga reactivi pentru reactiile de culoare care vor fi citite de colorimetru. Fluidele capata aici o viteza de curgere controlata, ca si timpul de reactie. Pompa este partea principala a aparatului.

dializorul separa substantele de interfata din probe, prin trecerea selectiva a componentelor printr-o membrana semipermeabila;

baia de incalzire ridica temperatura fluidelor la 37⁰, optima pentru dezvoltarea culorilor;

colorimetrul monitorizeaza densitatile optice (de culoare), proportionale cu concentratia componentelor si le transforma in tensiuni electrice, masurate si afisate ulterior;

inregistratorul afiseaza semnalele de la colorimetru pe suport de hartie.

Ca performate globale, autoanalizorul Technicon SMAC realizeaza pana la 40 de teste diferite pe acelasi esantion de substabta, cu o productivitate de 60 de probe / ora.

Figura 11 Un sistem autoanalizor