Ни капли крови: Анализ крови без следов
Смело можно сказать, что мы живем в эпоху неинвазивной диагностики. Небольшая доза рентгеновских лучей, магнитное поле и радиоволны, чуть-чуть радиоактивного вещества или безобидный ультразвук — вот современные диагностические инструменты. Не прибегая к помощи скальпеля, врач может рассматривать кости, мягкие ткани, состояние легких, нервные окончания и даже наблюдать за деятельностью мозга. Но есть одна живая ткань, которая труднее других поддается диагностике «вживую» (in vivo, как говорят медики), хотя знать ее параметры часто не только важно, а просто жизненно необходимо. Речь идет о крови.
Информация о параметрах крови помогает поставить правильный диагноз, а в некоторых случаях и предупредить развитие болезни. Поэтому когда, заполучив простуду или просто за справкой для бассейна, мы приходим в поликлинику, врач в первую очередь направляет нас сдавать анализы. Конечно, сдать кровь из пальца дело не очень хлопотное, но и приятным его назвать нельзя. Однако для многих важных анализов даже этого недостаточно — требуемое количество, несколько миллилитров, можно взять только из вены. И хотя такое мероприятие связано с дополнительным риском, на сегодняшний день это самый доступный и фактически пока единственный способ узнать, не больны ли вы гепатитом и не являетесь ли носителем какого-нибудь другого вируса.
Любой врач скажет, что ему куда удобнее было бы иметь так называемый неинвазивный прибор, который позволил бы «рассматривать» состав крови сквозь все естественные преграды, подобно тому, как томограф помогает увидеть нервные окончания. Как это ни удивительно, создать аппарат для исследования внутренних органов оказалось проще, нежели неинвазивный анализатор крови, который даст возможность избавиться от нелюбимой и врачами, и пациентами иглы. На решение проблемы неинвазивного анализа крови потрачено немало времени и средств, сотни научных групп во всем мире занимаются этими исследованиями, но результаты пока сравнительно скромные.
Пульсоксиметры
Еще в середине XIX века, практически сразу после изобретения спектрального анализа, его применили для исследования спектра поглощения красного пигмента крови — гемоглобина. Это сделал в 1862 году немец Хоппе-Силер. А буквально через два года британец Стокс показал, что при насыщении воздухом раствора гемоглобина его цвет (а соответственно и спектр поглощения) меняется, и именно поэтому алая артериальная кровь отличается от пурпурной венозной. Но тогда речь об измерениях «вживую» еще не шла, и все опыты проводились на образцах. Измерить потребление кислорода непосредственно на руке живого человека удалось только в 1932 году, исследователям из Геттингенского университета в Германии. А перед Второй мировой войной появился прообраз современного прибора — «оксиметр», измерявший насыщение артериального гемоглобина кислородом на мочке уха. Как и большинство научных достижений, применялся он вначале исключительно в военных целях — для контроля за состоянием военных летчиков.
Чтобы пояснить принцип действия пульсоксиметра, начнем с физиологии. Главный переносчик кислорода в нашем организме — гемоглобин. Его молекула может транспортировать до 4 молекул кислорода, в этом состоянии она называется оксигемоглобином (HbO), а без присоединенного кислорода — дезоксигемоглобином (Hb). Когда насыщение крови кислородом опускается ниже 90%, организм недополучает кислород, значения порядка 70% уже опасны для жизни.
При создании пульсоксиметра воспользовались различиями в спектральных характеристиках HbO и Hb в видимой и инфракрасной областях спектра. Кое-где поглощение двух разных гемоглобинов одинаково, а местами отличается в несколько раз. На первый взгляд кажется, что достаточно сравнить поглощение на двух длинах волн — и мы получим нужный результат. Но в действительности технология измерений несколько сложнее, и вот по какой причине. Врачей интересует содержание кислорода именно в артериальной крови, а при неинвазивных измерениях излучение проходит не только через артерии, но и через вены и капилляры кожи, в которых соотношение HbO и Hb уже совсем другое. Как справиться с этой путаницей? Тут приходит на помощь пульс, ведь артериальная кровь в отличие от остальной пульсирует. Пульсоксиметр потому так и называется, что выделяет пульсирующий сигнал и таким образом позволяет отличить артериальную кровь от венозной.
К 70-м годам прошлого века появились более стабильные и надежные источники излучения, а фотоприемники стали компактнее и чувствительнее. Наступил новый этап в создании неинвазивных анализаторов. Первый бытовой пульсоксиметр был выпущен в 1976 году фирмой Hewlett-Packard. Прибор проводил сравнение поглощений на 8 (!) длинах волн красной и инфракрасной области спектра, так как не умел выделять пульсирующую составляющую. С появлением методик выделения пульса и микропроцессоров пульсоксиметры стали более миниатюрными, удобными и дешевыми. В современных моделях, которых насчитываются десятки, а то и сотни, используются всего две длины волны, время измерения занимает от 5 до 20 секунд, а датчик можно крепить не только на мочку уха, но и на палец или куда-нибудь еще. При падении насыщения ниже нормы или неправильных значениях пульса прибор подает звуковой сигнал.
Сегодня пульсоксиметры есть практически в каждом хирургическом отделении, однако решить удалось не все проблемы, и пока инструкции для врачей содержат целый список мер предосторожности. Работы по совершенствованию таких приборов еще больше чем достаточно.
Вторым реальным достижением стал неинвазивный измеритель билирубина. Причем здесь больше повезло не военным, а самой мирной категории населения — новорожденным детям.
В крови живого организма гемоглобин постоянно обновляется, и в результате его распада образуется белок билирубин, который утилизируется в печени. Если этот естественный процесс нарушается, например вследствие заболевания гепатитом, неиспользованный билирубин начинает накапливаться в крови, а вскоре проникает и в кожные покровы. Появляется так называемая желтуха. Почему желтуха? Да потому что молекулы билирубина интенсивно поглощают свет в сине-зеленой области спектра, имея максимум поглощения на длине волны 460 нанометров, и в отраженных от кожи лучах остается только желтая составляющая. Чем больше концентрация билирубина в измеряемом объеме, тем больше будет поглощение света на данной длине волны, по которому мы сможем судить о количестве этого вещества.
Но одной длины волны для измерений оказывается недостаточно, так как кожные покровы, сквозь которые мы пытаемся мерить, имеют довольно сложное строение. Чего там только нет — и старые клетки, и межклеточная жидкость, и пигмент меланин, и подкожные капилляры с гемоглобином. И все это тоже поглощает и рассеивает видимый свет. Решить проблему помогает опорная линия 550 нанометров. На этой длине волны билирубин почти ничего не поглощает, зато все остальные составляющие поглощают и рассеивают примерно как и на 460 нанометрах.
Итак, конструкция получается следующая. Источник видимого света освещает кожу, отраженный свет регистрируется двумя фотоприемниками: в одном только на длине волны 460 нм, а в другом — на 550 нм. Затем сигналы сравниваются. В отсутствие билирубина сигналы будут одинаковы и прибор покажет 0. Чем больше количество билирубина, тем слабее становится сигнал в основном канале, и тем большие значения показывает прибор. Впервые такой метод измерения содержания билирубина в подкожной клетчатке был запатентован японцами в конце 70-х. А в 1980 году первый неинвазивный билирубинометр выпустила фирма «Минолта» для новорожденных детей. Сейчас таких приборов насчитывается не меньше десятка. В них используются разные источники света, разные приемники и светофильтры, но принцип действия примерно одинаков. Свои билирубинометры есть и в России — «Билитест» и «АБЧК-02».
Такое внимание к маленьким пациентам не случайно. Почти у каждого третьего новорожденного появляется желтуха, которая в большинстве случаев не опасна и обусловлена просто приспособлением организма к новым условиям. Однако чтобы точно ответить на вопрос, естественный ли это физиологический процесс или серьезная болезнь, приходится брать анализ крови на билирубин. И здесь неинвазивный анализатор — просто спасение для педиатров.
Заметим только, что все неинвазивные билирубинометры показывают содержание билирубина в подкожной клетчатке, а оно отражает изменение уровня вещества в крови с некоторым запозданием, которое измеряется часами. Врачам, естественно, приходится это учитывать, но согласитесь, часто брать кровь из вены, особенно у маленьких детей, невозможно, а измерять неинвазивным прибором — хоть каждые полчаса.
А как же взрослые? Почему они, как и прежде, вынуждены сдавать кровь из вены, чтобы узнать про свой билирубин? Тут дела обстоят сложнее. Основное препятствие — толщина и свойства кожных покровов. На тех длинах волн видимой области спектра, где мы вынуждены проводить измерения, большая доля отраженного сигнала приходит от верхнего слоя кожи в несколько десятков микрон и не несет никакой информации об интересующем нас билирубине. Но проблема не только в том, что у взрослых людей кoжа значительно толще, чем у новорожденных. Главное, что она у разных людей разная. У «толстокожих» пациентов поправка будет побольше, а у «тонкокожих» — поменьше. При одинаковом содержании билирубина в крови двух пациентов с разной толщиной кожи билирубинометр покажет разный результат. Но это еще полбеды. Оказывается, что кожа у разных людей не только разной толщины, но и рассеивает по-разному. А из-за этого разброс только усиливается.
И все же медики не теряют надежды получить работающий неинвазивный билирубинометр, а пациенты — избавиться от неприятного и небезопасного анализа. Тем более что кровь, взятую для определения концентрации билирубина, исследуют тем же оптическим методом, помещая пробирку в спектрофотометр и измеряя поглощение — естественно, не совсем безошибочно.
Прочитав про успехи пульcоксиметрии, можно подумать, что и полную концентрацию гемоглобина в крови несложно определить оптическими методами. Но это только на первый взгляд. Пока не удалось создать достаточно точный неинвазивный гемоглобинометр, который мог бы конкурировать с обычным анализом. Как выяснилось, здесь требуется не только знание спектральных свойств живых тканей, но и сложная математическая обработка сигнала. А поскольку измерение уровня гемоглобина касается буквально всех и каждого, исследования в этом направлении ведутся очень активно.
Еще один важный параметр — уровень сахара в крови. Появления неинвазивного измерителя концентрации глюкозы с надеждой ждут больные сахарным диабетом, которых в мире насчитывается порядка 100 миллионов человек. В прошлом году об успешных клинических испытаниях таких приборов, использующих инфракрасное излучение, сообщили сразу несколько исследовательских групп, в том числе из фирмы LifeTrac Systems и из университета в Коннектикуте. А швейцарская фирма Pendragon Medical обещает в скором времени начать выпуск принципиально нового неинвазивного анализатора глюкозы, основанного на измерении электропроводности.
В общем, медленно, но верно дело идет к тому, чтобы иголку в руках лаборанта заменило устройство наподобие фонарика или часов, которое позволит быстро и безболезненно узнать о нашей крови все, что мы захотим.