ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № б, с. 77-81
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 53.082.7
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ИНГАЛЯЦИОННОЙ АНЕСТЕЗИИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
© 2013 г. А. Ю. Елизаров*, И. И. Фаизов***, А. В. Козловский**, А. И. Левшанков*, **
*Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26 **ЗАО "Меттек" Россия, 195220, С.-Петербург, ул. Гжатская, 27 *** Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Россия, 194044, С.-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6 E-mail: a.elizarov@mail.ioffe.ru Поступила в редакцию 12.11.2012 г.
Описано применение медицинского масс-спектрометра для измерения концентрации компонентов газовой смеси в дыхательном контуре аппарата ингаляционной анестезии в режиме реального времени. Разрешающая способность масс-спектрометра M/AM = 200, предел обнаружения по парциальному давлению исследуемых газов 2 • 10-12 мбар. Масс-спектрометр обеспечивает возможность измерения объемного содержания CO2, O2 и ингаляционного анестетика севофлурана. Для оценки стресс-реакции пациента на хирургическую травму во время анестезии выполнены измерения дыхательного коэффициента (CO2/O2).
DOI: 10.7868/S0032816213050157
ВВЕДЕНИЕ
В 70-е годы были разработаны медицинские масс-спектрометры [1], которые широко использовались при создании новых методик ингаляционной анестезии. Сертификация масс-спектрометра в качестве медицинского оборудования была выполнена для двух моделей: МХ6202-6203 (СКБ АП) и Medical Gas Analyzer 1100 (Perkin-Elm-er). В этих приборах для регистрации масс-спектров использовались масс-спектрометры радиочастотных и магнитных типов. Они позволяли измерять CO2, O2, N2O и ингаляционный анестетик (только модель MAG 1100) во время анестезии в режиме реального времени. Кроме того, эти приборы нашли широкое применение при проведении прикладных исследований в анестезиологии. Однако в клинической практике их заменили более дешевые оптические датчики ближнего и.к.-диапазона.
Поскольку в дыхательном контуре (д.к.) аппарата ингаляционной анестезии (а.и.а.) искусственно поддерживается 100%-ная влажность газовой смеси, при применении оптических датчиков в клинической практике возникает проблема разделения накладывающихся друг на друга оптических спектров компонентов газовой смеси и спектра поглащения молекул воды. Для решения этой проблемы используются различные корректирующие программы, которые постоянно совершенствуются [2]. Оптическая схема датчиков и.к.-диа-пазона остается неизменной в течение длительно-
го времени. Так, например, в новых аппаратах ингаляционной анестезии Primus (Draeger) для измерения объемного содержания компонентов газовой смеси в д.к. а.и.а. до сих пор используют монитор Vamos (Draeger), который был разработан для а.и.а. Fabius (Draeger) десять лет назад. Оптические мониторы Vmos обеспечивают измерения CO2, N2O и ингаляционного анестетика с относительной погрешостью 10—12% и временем измерения 500 мс. Для измерения O2 используется гальванический сенсор.
В настоящее время масс-спектрометры по стоимости сравнялась с оптическими датчиками для а.и.а., что открывает перспективы их использования в клинических исследованиях при разработках новых методик анестезии.
Целью данной работы является демонстрация возможности использования времяпролетного масс-спектрометра для измерения дыхательного коэффициента в режиме реального времени, что позволит дополнительно оценить адекватность проводимой анестезии. Ниже приведены в сравнении результаты измерений, выполненных с использованием медицинского времяпролетного масс-спектрометра, рефрактометра и оптического датчика, а также результаты измерений режимов искусственной вентиляции легких в зависимости от потока свежей дыхательной смеси. По результатам измерений дыхательного коэффициента в
-i
1 III?}
1 120 см . |
1 nil 1 -1
ПП3
Рис. 1. Ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра. 7, 2 — выталкивающий и фокусирующий электроды электронной пушки; 3 — ферри-товые магниты; 4 — сборка из двух микроканальных пластин; 5 — электростатическая линза.
режиме реального времени выполнены оценки стресс-реакции на хирургическую травму.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра представлена на рис. 1. Газовая смесь из д.к. а.и.а. подавалась в ионный источник масс-спектрометра по кварцевому капилляру с внутренним диаметром 100 мкм и длиной 200 см, соединенному с дифференциальной камерой. В масс-спектрометре использован ионный источник закрытого типа. Исследуемая газовая смесь из камеры дифференциальной откачки вводилась непосредственно в область электронной ионизации через диафрагму диаметром 20 мкм. Высокий вакуум в масс-спектрометре поддерживался турбомолекулярным насосом с производительностью 80 л/с HiPace 80 (Pfeiffer-vacuum). Скорость откачки дифференциальной камеры молекулярной ступенью того же насоса составляла 20 л/с. Перепад давлений между ступенями дифференциальной откачки был равен 105—3—1.5 • 10-4 Па соответственно [3, 4].
Режим работы электронной пушки — импульсный. Энергия электронов 70 эВ. Фокусировка пучка электронов осуществлялась двухэлектродной электронно-оптической системой (выталкивающий 1 и фокусирующий 2 электроды на рис. 1), а дополнительная фокусировка пучка — при помощи поля, создаваемого ферритовыми магнитами 3 (напряженность магнитного поля 0.1 Тл). Площадь сечения электронного пучка составляла 1.5 х х 20 мм2. Для ввода ионного пакета в область дрейфового пространства длиной 120 см использовался двухзазорный ионный источник [5]. Постоянный ускоряющий потенциал составлял 3 кВ, выталкивающий импульс — 1 кВ, фронт импульса — 100 нс. Временная зависимость амплитуды выталкивающего импульса корректировалась при помощи трех-электродной электростатической линзы, обеспе-
чивающей квадратичную зависимость амплитуды выталкивающего импульса от времени.
Разрешающая способность масс-спектрометра M/M составляла 200. Ионные пакеты, которые могли "перегружать" микроканальные пластины 4 детектора, отклонялись при помощи импульсного неоднородного электрического поля, которое было получено при помощи цилиндрического электрода (ц.э.) 5 и расположенного внутри него отклоняющего электрода, выполненного в виде пластины. Временное разрешение системы регистрации ЭМГ 20-3 (ЗАО "Меттек") составляло 20 нс. Калибровка масс-спектрометра при измерениях содержания ингаляционного анестетика севофлу-рана (Abbott Lab) и CO2 в д.к. а.и.а. осуществлялась при помощи рефрактометра Тест-902-2М (ОКБ Тест), который был откалиброван для абсолютных измерений производителем. Во время калибровки масс-спектрометра а.и.а. подсоединялся к дыхательному мешку "искусственное легкое".
Калибровка масс-спектрометра для измерения содержания O2 в д.к. осуществлялась гальваническим датчиком (ООО "Инсовт"), который был откалиброван производителем. Чувствительность по парциальному давлению исследуемых газов определялась при помощи стандартных газовых смесей и генератора микропотока газовой смеси ГГС-03-03 (ООО "Мониторинг") и составила 2 • 10-12 мбар.
Ниже приведены результаты измерений объемного содержания компонентов газовой смеси, полученные при помощи описываемого масс-спектрометра в клинических условиях в режиме реального времени во время ингаляционной анестезии севофлураном. Анестезия осуществлялась внутривенной инфузией пропофола (2 мг на 1 кг массы тела). До интубации трахеи в д.к. а.и.а. подавали се-вофлуран в дозе, соответствующей показаниям минимальной альвеолярной концентрации. В течение всей анестезии с интервалом 20 мин внутривенно вводили фентанил (0.5 мкг на 1 кг массы тела). Забор газовой смеси из д.к. а.и.а. осуществляли непосредственно из "Y"-образного коннектора, присоединенного к эндотрахеальной трубке.
МЕТОД ОЦЕНКИ ГЛУБИНЫ АНЕСТЕЗИИ
В клинической практике мониторинг глубины анестезии осуществляется при помощи методов электроэнцефалографии (см., например, [6]). Регистрируемые энцефалографом сигналы зависят как от концентрации в мозговом кровотоке медикаментозных агентов, таких как пропофол, так и от уровня стресс-реакции пациента на хирургическую травму во время анестезии. Это затрудняет проведение оценки стесс-реакции пациента на хирургическую травму [7—9].
В дополнение к указанному методу можно проводить измерения дыхательного коэффициента N
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫИ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
79
Севофлуран, об% 4
- 1% 3 '
0 10 20 30 40
Время, мин
Рис. 2. Временные зависимости концентрации сево-флурана в д.к. а.и.а. при измерениях масс-спектрометром (1), рефрактометром (2) и оптическим датчиком (3). Вертикальными стрелками указаны выставленные на испарителе ингаляционного анестетика значения концентрации севофлурана в об%. Звездочками отмечено время, когда часть газовой смеси из д.к. отбиралась в рефрактометр.
(отношение концентраций СО2 и О2 за дыхательный цикл) во время анестезии. Нами была выполнена экспериментальная проверка предположения, что прецизионные измерения дыхательного коэффициента в режиме реального времени могут позволить фиксировать реакцию пациента на хирургическую травму, невзирая на мышечную релаксацию, вызванную действием миорелаксантов (ардуан, эсме-рон) во время анестезии. Значения нормированного дыхательного коэффициента N оценивали интегрированием кривой, описывающей временную зависимость отношения массовых концентраций выделяемого из легкого на выдохе углекислого газа М °и1(С02) и поглощаемого на вдохе кислорода М1П(02) за каждый дыхательный цикл:
N = М°и1(С02)/Мь(02).
Для удобства представления результатов вычисления этой зависимости измерения СО2 и О2 нормировались таким образом, чтобы за первый дыхательный цикл значение коэффициента N принималось за 1.
ОБСУЖДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты измерений концентрации ингаляционного анестетика севофлурана в газовой смеси д.к. а.и.а. различными приборами: масс-спектрометром (кривая 1), рефрактометром Тест-902-2М (кривая 2) и оптическим датчиком Vamos (кривая 3) — представлены на рис. 2. Дыхательный контур а.и.а. соединен с дыхательным ме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.