Кислород в крови человека. А что скажет ПульсОксиметр?

Оксиметр

 

Полноценная жизнь человека продолжается до тех пор, пока в достатке кислород в его крови. Что это за странное “существо” SpO2 и почему от него зависит наша здоровая жизнь? Об этом и хочется узнать побольше.

Введение

Ткани органов нашего тела должны постоянно получать питание, в том числе кислород (O2) и освобождаться от ядовитых веществ (в том числе и от углекислого газа CO2), образующихся в результате жизнедеятельности клеток, то есть того, из чего складывамся мы, люди. Подавляющую часть этой работы – доставлять клеткам кислород (O2), другую полезную пищу и выносить из клеток отработанные отходы, выполняет кровь.
Кровь – это жидкая, подвижная, соединительная ткань внутренней среды организма, которая состоит из жидкой части (плазмы) и взвешенных в ней клеток (лейкоцитов, эритроцитов и тромбоцитов). Кровь циркулирует по замкнутой системе сосудов, под действием силы, ритмически сокращающегося в груди, сердца. Подобно тому, как вода течет по сети водопроводных труб, так и кровь циркулирует в специальных сосудах, которые являются кровеносной системой человека.




 

О цвете крови человека и насыщении крови кислородом.

Эритроциты - красные кровяные тельца
Эритроциты – красные кровяные тельца

Основную часть крови составляет плазма – жидкость желтоватого цвета. В плазме находятся эритроциты. Сами эритроциты имеют жёлто-зелёный цвет и лишь в совокупности с содержащимся в них гемоглобином эритроциты приобратают красный цвет. Причём красный цвет разных оттенков: от бледно-красного до темно-красного, в зависимости от количества кислорода в гемоглобине. А гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, переносит кислород по всем уголкам тела человека.

Гемоглобин – это важнейший элемент крови, железосодержащий белок и основной компонент эритроцитов. В молекулах гемобелка находятся атомы железа (в здоровом теле содержится около 4 г железа: в селезенке, мозге и печени – 1.5 г, в гемоглобине – 2.5 г), которые связывают кислород, отвечают за холестериновый и кислородный обмен, участвуют в кроветворном процессе. Гемоглобин обладает свойством захватывать кислород и транспортировать его к органам. Без гемоглобина нормальное насыщение тканей кислородом было бы невозможно. Однако опасен как недостаток, так и избыток этого белка. Норма гемоглобина: 120 – 140 г/л у женщин и 130 0 160 г/л у мужчин. 

Гемоглобин, содержащий кислород, называют “насыщенным” или сатурированным (saturation – насыщение) кислородом. Уровень кислорода в крови (сатурация) у здорового человека должен быть 95-99%. Уменьшение сатурации свидетельствует о  дыхательной недостаточности.
Уровень насыщения крови кислородом (SpO2) – это соотношение гемоглобина, содержащего кислород, к общему количеству гемоглобина в крови, измеряемое в процентах.

(SpO2Saturation – сатурация Pulse – пульс O2 – кислород)

К началу страницы

Кислород в теле человека

Кислород обеспечивает жизнедеятельность организма, он принимает участие в получении и обмене энергией и проведении восстановительных реакций. Цвет крови зависит от насыщенности гемоглобина кислородом.

Как доставляется кислород к клеткам тела

Артериальная кровь полностью насыщена кислородом – она ярко-красная. Венозная кровь обеднена кислородом – она тёмно-красная.
Дефицит кислорода в тканях называется гипоксией.
Кислород поступает в кровь и соединяется с гемоглобином в альвеолах (лёгочных воздушных мешочках).

Сердце человека
Сердце человека

Артериальная кровь нагнетается к тканям всего организма сердцем. Ткани получают кислород из гемоглобина, поступающего с кровью через капиллярную сеть. В клетках ткани кислород “сгорает” с образованием углекислоты, которая возвращается в лёгкие вместе с венозной кровью и выдыхается из организма. Гемоглобин, находящийся в крови, захватывает кислород в альвеолах легких, проводит последующее окисление и передачу его всем структурам организма.
Когда сатурация (насыщение кислородом) гемоглобина понижена, это приводит к кислородному истощению всех клеток организма и ослаблению иммунитета.
Для измерения кислорода в крови в домашних условиях имеется замечательный прибор – пульсоксиметр. Одна из разновидностей прибора имеет название Fingertip Pulse Oximeter, который позволяет измерять пульс и кислород в крови, будучи надетым на кончик указательного пальца.

Оксиметр – измеритель кислорода в крови

Оксиметр – это устройство для измерения насыщения кислородом крови. Метод измерения называется спектрофотометрией.

Спектрофотометрия

Спектрофотометрия (оптическая спектроскопия)- это метод исследования и анализа веществ, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения.

Спектральный анализ

Оптическая спектроскопия зародилась в 1802 году, когда были открыты Фраунгоферовы линии – темные линии в спектре Солнца, которые описал Йозеф Фраунгофер (немецкий физик, оптик) в 1814 году.
Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы Солнца.
В 60-е годы XIX века Густав Кирхгоф (немецкий физик) покзал, что это линии поглощения, обусловленные наличием в атмосфере Солнца различных газов, и что с каждым газом связана определенная линия.
В 1853 году Андерс Йонас Ангстрем (шведский учёный-астрофизик) сопоставил линии излучения газов с различными химическими элементами, чем положил основу нового метода получения информации о составе веществ – спектральный анализ.

Йозеф Фраунгофер, Андерс Йонас Ангстрем, Густав Кирхгоф.
Йозеф Фраунгофер, Андерс Йонас Ангстрем, Густав Кирхгоф.

Спектр поглощения

Спектр поглощения объекта зависит от его молекулярного состава.
Закон Бугера-Ламберта-Бера — основной закон, описывающий поглощение света средой. Он связывает между собой  интенсивности Il света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока I0

где  показатель поглощения вещества. Для растворов поглощающих веществ в непоглощающих растворителях показатель поглощения может быть записан как:где: Xλ  – коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества со светом длины волны λC – концентрация растворённого вещества.

Спектрофотометр

Общее в устройстве всех спектрофотометров: источник света, монохроматор, кюветное отделение с образцом и регистрирующий детектор.

Спектрофотометр
Спектрофотометр

Источник света – чаще всего – ртутные или галогеновые лампы.
Монохроматор – устройство для выделения из всего излучаемого спектра какой-то узкой его части (1-2 нм). Монохроматоры могут быть построены на основе разделяющих свет призм либо на основе дифракционной решетки. Также в некоторых приборах могут дополнительно применяться наборы светофильтров.
Кюветное отделение может быть оборудовано механизмами для термостатирования, перемешивания, добавления веществ непоспедственно в ходе процесса измерения. Для исследований малых объемов веществ может использоваться безкюветная технология, когда образец удерживается за счет сил поверхностного натяжения жидкости.
Детектор преобразует световой сигнал в электрический для последующей обработки.

К началу страницы

Пульсоксиметр

Как мы отметили выше, для измерения кислорода в крови в домашних условиях служит прибор, называемый пульсоксиметр. Для измерения пульсоксиметри надевается на кончик указательного пальца.
Прибор измеряет уровень кислорода как в насыщенной кислородом артериальной крови, так обеднённой кислородом (деоксигенированной) венозной крови. А результаы измерения представляет как соотношение этих величин в процентах, то есть в значениях SpO2. Для измерения этих двух различных типов крови, прибор использует источники света двух различных частот: инфракрасный источник света и красный источник света.
Инфракрасная частота используется для измерения крови богатой кислородом (артериальной крови).
Красная частота используется для измерения десатурированной (обеднённой кислородом) венозной крови.
Если самый большой коэффициент поглощения приходится на инфракрасный диапазон, то это означает высокую степень сатурации (насыщения кислородом). А если самый большой коэффициент поглощения находится в красном диапазоне, то это означает низкую степень сатурации (насыщения кислородом).
Спектр поглощения гемоглобина

Принцип работы прибора – пульсоксиметра.

В основу метода положено два явления:
1. Поглощение гемоглобином (Hb) света двух различных по длине волн меняется в зависимости от насыщения его кислородом.
2. Световой сигнал, проходя ткани, приобретает пульсирующий характер вследствие изменения объёма артериального русла при каждом сердечном сокращении.
Пульсоксиметр имеет периферический датчик, в котором находится источник света двух длин волн – 660 нм (красный) и 940 нм (инфракрасный). Степень поглощения зависит от того, насколько гемоглобин крови насыщен кислородом (каждая молекула гемоглобина способна присоединить максимум 4 молекулы кислорода).
Фотодетектором регистрируются изменения цвета крови в зависимости от насыщенности гемоглобина в крови кислородом.  Усреднённое наполнение отображается монитором пульсоксиметра.

Пульсоксиметр во время измерения
Пульсоксиметр во время измерения

Палец просвечивают источниками света и лучи, получившиеся в результате, отслеживаются регистрирующим прибором. Некоторое количество света поглощается тканями и кровью, и по мере того, как артерия наполняется кровью, увеличивается поглощение. Аналогичным образом, когда артерии опустошаются, уровень поглощения снижается. Поскольку пульсирующая кровь является единственной переменной в этой задаче, статические компоненты (т.e. кровь и ткани) могут быть исключены из подсчета. Таким образом, используя 2 длины световой волны, полученные во время измерений, пульсовой оксиметр подсчитывает сатурацию оксигенированного гемоглобина. Одна из разновидностей оксиметра – Fingertip Pulse Oximeter BOXYM показана на рисунке выше (одет на палец) на заглавной иллюстрации.

Показатели оксиметра

Уровень насыщения крови кислородом (SpO2) – это соотношение гемоглобина, содержащего кислород, к общему количеству гемоглобина в крови, измеряемое в процентах. Приведем диапазон изменения этого параметра:
95% и выше – норма
90-94% – I степень, опасный уровень может указывать на расстройство здоровья.
75-89% II степень, чрезвычайно опасный, низкий уровень насыщения крови кислородом, может указывать на серьезное расстройство здоровья.
Менее 75% – III степень, гипокскмия.
Менее 60% – IV степень, гипоксемическая кома.

ПульсОксиметр в процессе измерения
Пульсоксиметр. Результат измерения 99%!

К началу страницы

Приложения.

П.1. Что такое кровеносная система?

По кровеносной системе кровь “перегоняется” усиленной работой сердца, которое является центральным органом системы.
Кровеносная система человека состоит из центрального органа – сердца и находящихся в соединении с ним замкнутых трубок различного диаметра – кровеносных сосудов.
Кровеносная система человека – это Большой круг сосудов и Малый круг сосудов, соединяющих сердце со всеми органами человеческого тела.

Органы кровеносной системы  человека.

Кровеносная система человека
Кровеносная система человека

Описание кровеносной системы человека начнем с основного органа, перекачивающего кровь по кровеносной системе – это сердце.

Сердце.

Сердце человека (лат. греч. cardia) – это мышечный орган (насос), который обеспечивает движение крови в системе кровообращения.

Сердце
Сердце человека

Сердце человека в 1 минуту способно перекачать 5 – 30 литров крови. За 70 лет сердце человека перекачивает 175 млн. литров крови. Масса сердца человека составляет, в среднем, 330 граммов у мужчин и 250 грамм у женщин. По форме сердце напоминает конус обтекаемой формы, с широким основанием, размером с кулак.

Сосуды кровеносной системы.

Сосуды кровеносной системы – это общее название путей, по которым кровь распределяется от сердца и лёгких, ко всем органам человеческого тела и возвращается назад к сердцу и лёгким. Сосуды подразделяются на артерии, вены, и более мелкие сосудики, вплоть до капилляров. Рассмотрим более детально устройство кровеносной системы человека.

Артерии, вены, их строение и работа.

Артерии (красные), вены (синие) и им соответствующие капилляры
Артерии (красные), вены (синие) и им соответствующие капилляры

Поясним некоторые термины, приведенные на рисунке выше:
Интима – внутренний слой сосуда.
Медиа – средняя оболочка сосуда.
Адвентиция – внешняя оболочка сосуда.
Сосуды кровеносной системы человека, несущие кровь от сердца, называются артериями, начальный отрезок артериальной системы называется аортой.
Аорта – это самый крупный сосуд во всем организме, его диаметр 25-30 миллиметров. Отходит аорта от левого желудочка сердца, а от аорты начинают ответвляться многочисленные артерии. Чем дальше от сердца, тем сосуд становится уже. В толще органов сосуды переходят в тончайшие сосудики (артериолы) и далее, в густую сеть мельчайших, волосных сосудов – капилляров.   Сосуды, возвращающие кровь к сердцу, называются венами. Поступив в правое предсердие, а затем в правый желудочек сердца, венозная кровь перегоняется из него в легкие. В легких, венозная кровь отдает углекислоту и насыщается кислородом, возвращаясь обратно в сердце, в его левое предсердие. А затем, спустившись в левый желудочек, выталкиваясь силой его сокращения в аорту, начинает новый кругооборот по организму.
Стенка артерий состоит из трех слоев. Внутренний слой (интима), образован из эластической ткани и выстлан изнутри специальными клетками. Эластическая ткань позволяет сосудам растягиваться, выдерживать напор крови, а эндотелий (однослойный пласт плоских клеток), делает их внутреннюю поверхность гладкой, поэтому кровь течет свободно, не подвергаясь трению. Трение внутри сосуда способствует свертыванию крови.
Артерии и вены, питая различные органы и ткани, сами нуждаются в пищевых продуктах и кислороде. Для так называемого “самопитания,” стенки артерий и вен имеют свои сосуды, получившие образное название “сосуды сосудов”. Проникая сквозь стенки крупных артерий и вен, эти сосудики обеспечивают жизнедеятельность кровеносной системы. Кроме того, в стенках артерий и вен заложены нервные окончания, связанные с центральной нервной системой, которая осуществляет нервную регуляцию кровообращения. Благодаря этому, в каждый орган притекает столько крови, сколько ему необходимо в данный момент, для выполнения той или иной работы. Так, например, мышца во время нагрузки, получает питание в несколько раз больше, чем мышца, находящаяся в данный момент в покое. В большинстве органов артерии, распределяясь на более мелкие сосуды, тут же соединяются между собой и образуют своеобразные сети. Такое устройство обеспечивает кровоснабжение органа даже в тех случаях, если какая-либо часть сосудов, в результате болезни или ранения, выключается из деятельности.
Сосуд, соединяющий два других сосуда, называется соустьем или анастомозом. В некоторых органах соустий нет и сосуды непосредственно переходят в капилляры. Такие артерии, не имеющие анастомозов, называются концевыми артериями. При их повреждении часть органа, в которой они оканчивались, перестает получать кровь и омертвляется, образуется инфаркт (от латинского слова инфарцире, что значит набивать, нафаршировывать). В тех  случаях, когда в артериях, имеющих анастомозы, возникает какое-либо препятствие на пути тока крови, кровь устремляется по боковым, окольным сосудам, называемыми коллатералями. А в месте повреждения, начинают образовываться новые сосуды – анастомозы, соединяющие отрезки выключенных артерий или вен. В результате, с течением времени, нарушенный кровоток восстанавливается. Благодаря этой способности организма, заново воссоздавать кровообращение в отдельных участках тела, происходит заживление всевозможных нарушений.

Капиллярная сеть.

Капиллярная сеть кровеносной системы человека
Капиллярная сеть кровеносной системы человека

Капиллярная сеть – это система тончайших кровеносных сосудов (капилляров), пронизывающая весь организм человека,  по которым свежая кровь доходит до каждой точки человеческого организма, а “отработанная” возвращается для последующей очистки. Капилляры так малы, что видны только под микроскопом. Через их тончайшие стенки, состоящие лишь из одного слоя клеток и происходит “круговорот” крови. Благодаря густой сети волосных сосудов и происходят процессы питания клеток нашего организма.
Скорость циркуляции крови в организме не одинакова. И разнится, в зависимости от толщины сосудов, чуть ли не в 1000 раз. В наиболее крупных сосудах (артериях), кровь циркулирует со скоростью до 500 мм/сек, в крупных венах  – до 150 мм/сек, а в капиллярах – менее 1 мм/сек.
Благодаря малой скорости течения крови в капиллярах, кровь успевает отдавать кислород и питательные вещества тканям и принять продукты их жизнедеятельности. Замедление тока крови в капиллярах объясняется тем, что их количество огромно (около 40 млрд.) и, несмотря на микроскопические размеры, их суммарный просвет в 800 раз больше просвета аорты. Соединяясь между собой, капилляры постепенно переходят в небольшие сосуды (венулы), из которых образуются более крупные сосуды кровеносной системы человека – вены. По ним кровь, наполненная отработанными продуктами обмена веществ, оттекает от тканей и устремляется по направлению к сердцу.

К началу страницы

П.2. Движение крови по кровеносным сосудам.

Весь путь крови подразделяется на два частных отдела: Большой и Малый круги кровообращения.
Схема работы кровеносной системы показана на рисунке ниже:

Схема кровеносной системы
Схема кровеносной системы

Большой круг – это путь от сердца к органам тела и обратно. Иначе его называют телесным. Большой круг начинается аортой (1), выходящей из левого желудочка сердца (2). Алая кровь, пройдя через капилляры органов (на схеме показана капиллярная сеть желудка (3)), становится темной и по венам возвращается в правое предсердие сердца (4).
Малый круг – это путь, который кровь проходит через легкие. Поэтому его называют легочным. Малый круг начинается от правого желудочка сердца (5) и проходит только через легкие (6). В лёгких кровь отдает углекислоту и, насытившись кислородом, течет к левому предсердию (7). Слева показано строение стенок артерии (8), вены (9), а также изображена капиллярная сеть (10).
Большой (телесный) круг обеспечивает питание и дыхание тканей, а Малый (легочный) круг позволяет освобождаться от углекислоты и снабжает кровь кислородом. Постоянство такого движения крови, в первую очередь, обусловлено четырехкамерным строением сердца и деятельностью клапанов, расположенных между предсердиями и желудочками.

Путь движения крови.

Движение крови в организме человека
Движение крови в организме человека

Весь путь крови подразделяется на два частных круга: большой и малый круги кровообращения.
Большой круг – это путь от сердца к органам тела и обратно. Иначе его называют телесным. Большой круг начинается аортой (1), выходящей из левого желудочка сердца (2). Алая кровь, пройдя через капилляры органов (на схеме показана капиллярная сеть желудка (3), становится темной (паказана голубым цветом) и по венам возвращается в правое предсердие сердца (4).
Малый круг – это путь, который кровь проходит через легкие, поэтому его называют легочным. Малый круг начинается от правого желудочка сердца (5) и проходит только через легкие (6). В лёгких, кровь отдает углекислоту и, насытившись кислородом, течет к левому предсердию (7).
Более подробное о движении крови по сосудам кровеносной системы можно посмотреть на странице “Кровеносная система человека“.




К началу страницы

Author: Олег Якупов

Я отношусь к той категории советских людей, которых называют "Ташкентскими русскими". Это эндемики, сохранившие в окружении инородной культуры своеобразную русскую, еще дореволюционную культуру, и прежде всего, язык. А так же впитавших в себя много хорошего из окружавшей нас по жизни восточной культуры. Еще нас называют "Совками". Но это относится не только к бывшим жителям гостеприимного Ташкента, но к жителям всего Советского Союза, сформировавшимся, как личности, во времена Советского Союза. Многих из нас судьба разбросала по всему Земному шару. Нам не хватает привычного общения. Наши дети и внуки, помимо своей воли, становятся "иностранцами". Блог – это то место, где я смогу выговориться, а если повезет, то и поговорить с людьми моего поколения. Спасибо Интернету, он предоставляет нам такую возможность.