Результат интеллектуальной деятельности: АНАЛИЗАТОР СОСТАВА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к оборудованию, позволяющему диагностировать определенные виды заболеваний человека путем анализа состава выдыхаемого им воздуха.

В настоящее время получает бурное развитие методика неинвазивной диагностики заболеваний человека по анализу компонентного состава выдыхаемого им воздуха. Известно, что выдыхаемый воздух (ВВ) содержит в своем составе, помимо основных атмосферных компонентов (азот, кислород, углекислый газ, пары воды), более 100 других видов молекул с различной концентрацией. Эти достаточно легкие газообразные соединения, которые в предельно малых количествах образуются в организме, присутствуют в ВВ в виде следов (концентрация около 10^-6%) и являются признаками или так называемыми маркерами протекающих биохимических процессов. В настоящее время в литературе представлен достаточно большой объем данных, свидетельствующих о возможности использования данных газообразных маркеров в биомедицинской диагностике. В этой связи для проведения такой диагностики требуется универсальное устройство, способное с высокой точностью детектировать большое количество газов.

Известно устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху [Устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху, патент на полезную модель RU 51849, 10.03.2006, A61B 5/00], состоящее из N газовых датчиков. Основным недостатком данного устройства является узкий набор определяемых газовых компонентов, обусловленный тем, что каждый датчик предназначен для детектирования только одного сорта молекул. В этой связи появление компонента в выдыхаемом воздухе, для которого нет соответствующего датчика, будет проигнорировано.

Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является лазерный анализатор, основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света [Анализатор состава природного газа, RU 126136, 20.03.2013, G01N 21/00]. Данный анализатор содержит непрерывный лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую линзу, кювету, объектив, голографический фильтр, светосильный полихроматор, обеспечивающий одновременную регистрацию спектра в диапазоне 532-690 нм, а также блок управления и ПК. Суть его работы заключается в регистрации спектра КР анализируемой газовой среды и определении по нему ее качественного и количественного состава. Главным преимуществом данного анализатора является возможность контроля всех видов молекулярных компонентов газовой среды с помощью одного лазера с фиксированной длиной волны. Вместе с тем основным недостатком данного подхода (использование спектроскопии КР), в целом, является низкая интенсивность регистрируемых спектров КР. В данном устройстве этот недостаток решается его ориентированностью на анализ природного газа, поскольку в испытательные лаборатории природный газ поступает под давлением 30-100 атм. Таким образом, за счет сжатия газовой среды (поскольку интенсивность сигнала КР линейно зависит от количества молекул в единице объема) обеспечивается высокий уровень интенсивности полезных рассеянных сигналов, что в свою очередь обеспечивает требуемую точность газоанализа. Однако стоит отметить, что это не мешает данному устройству проводить анализ других газовых сред, не находящихся при повышенном давлении (например, выдыхаемого воздуха), хоть и с меньшей точностью.

Основным недостатком данного анализатора является низкая точность определения компонентного состава ВВ, обусловленная следующими факторами:

- низкая интенсивность регистрируемых спектров КР ВВ, поскольку анализируемый ВВ находится при давлении, близком к атмосферному, и следовательно, концентрация молекул в единице объема мала;

- невозможность обеспечения корректной замены анализируемой газовой среды, вследствие чего остатки предыдущего газа, находящегося в кювете, будут влиять на достоверность проводимого газоанализа;

- выпадение на окнах кюветы в осадок паров воды (из-за разницы температур ВВ и кюветы), что будет сбивать юстировку и, следовательно, минимизировать регистрируемый сигнал.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: повышение интенсивности регистрируемых спектров КР ВВ, обеспечение корректной замены анализируемой газовой среды, а также обеспечение условий, препятствующих процессу конденсации на стенках и окнах кюветы.

Технический результат - повышение точности определения компонентного состава выдыхаемого воздуха.

Указанный результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер с длиной волны 532 нм, герметичную кювету, оснащенную двумя окнами для ввода/вывода лазерного излучения и одним окном для вывода рассеянного света из ее центра, объектив, голографический фильтр, светосильный полихроматор, обеспечивающий одновременную регистрацию спектра в диапазоне 532-690 нм, блок управления и ПК-кювета дополнительно снабжена нагревательным элементом, соединенным с блоком управления, причем газовый вход кюветы сопряжен с расположенными последовательно сменным мундштуком, краном, промежуточной эластичной камерой и электроклапаном, а ее газовый выход сопряжен с малогабаритным насосом.

Кроме того, кювета дополнительно снабжена двумя сферическими зеркалами, имеющими общий центр кривизны и расположенными на одной оптической оси таким образом, чтобы через нее обеспечивалось многократное прохождение лазерного луча. Дополнительно установленная пара сферических зеркал для обеспечения многопроходности лазерного луча через кювету обеспечивает повышение интенсивности лазерного излучения внутри кюветы, вследствие чего обеспечивается увеличение интенсивности регистрируемых спектров КР.

Система, состоящая из сменного мундштука, крана, промежуточной эластичной камеры и электроклапана для напуска образца ВВ в кювету и малогабаритного насоса для ее очистки от посторонних газов, обеспечивает корректную замену образцов ВВ в кювете.

Необходимо отметить, что в известном устройстве и ряде других наличие паров воды в анализируемом ВВ вызывает не только проблемы их конденсации, но и мешает регистрации других газовых компонентов, например в устройствах, где используется абсорбционная спектроскопия. Для устранения этого осуществляется осушение пробы ВВ, например, путем охлаждения трубок, подводящих газ к кювете или другим измерительным устройствам с последующим сбором воды. Безусловно, данный подход позволяет решить стоящие проблемы, однако в данном случае происходит изменение процентного соотношения газовых компонентов, входящих в состав ВВ еще до его анализа.

В свою очередь в патентуемом устройстве осушение пробы ВВ не является необходимым, поскольку в регистрируемом спектре КР полос и КР паров воды не будет перекрывать полосы других компонентов и их концентрация будет также определена наряду с остальными газовыми компонентами. Однако конденсация паров воды на окнах кюветы за счет изменения показателя преломления света приведет к ослаблению регистрируемого сигнала КР. В этой связи в патентуемое устройство дополнительно установлен нагревательный элемент, который обеспечивает температуру стенок кюветы, близкую к 40°C, в результате этого, поскольку температура ВВ не будет превышать эту величину, процесс конденсации, влекущий за собой негативные последствия, будет устранен.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемой системы.

Анализатор содержит сменный мундштук 1, кран 2, эластичную камеру 3, электроклапан 4, кювету 5, нагревательный элемент 6, малогабаритный насос 7, твердотельный лазер 8 с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, сферические зеркала 9,10, объектив для сбора рассеянного излучения 11, голографический фильтр 12, полихроматор 13, ПЗС матрицу 14, блок управления 15 и ПК 16.

Предлагаемый анализатор выдыхаемого воздуха работает следующим образом.

Нагревательный элемент 6 при включении устройства обеспечивает температуру стенок кюветы, близкую к 40°C. При закрытом клапане 4 малогабаритный насос 7 удаляет из кюветы 5 остатки газовой среды и создает там пониженное давление. Далее через сменный мундштук 1 при открытом кране 2 пациент напускает выдыхаемый воздух в увеличивающуюся в объеме эластичную камеру 3, после чего закрывается кран 2, фиксируя внутри поступившую газовую среду. После этого по сигналу блока управления 15 электроклапан 4 открывается и за счет разницы давлений в камере 3 и кювете 5 происходит заполнение кюветы газовой средой, подлежащей анализу. Далее осуществляется процесс регистрации спектра КР, поступившего в кювете образца ВВ. Возбуждающее излучение от лазера 8 с помощью зеркал 9 и 10 многократно проходит внутри газовой кюветы 5, где оно рассеивается на молекулах присутствующего газа. Рассеянное излучение собирается объективом 11 и направляется на вход светосильного полихроматора 13, при этом проходя через голографический фильтр 12, роль которого ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения (так называемое рэлеевское рассеяние). Полихроматор 13 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС матрицей 14. Последняя передает электрические сигналы в блок управления 15, откуда они направляются на ПК 16 для проведения математической обработки, вычисления концентраций компонентов и визуализации результатов.

В качестве эластичной камеры может быть использован герметичный резервуар, функционирующий по принципу воздушного шара, который легко увеличивается в объеме при поступлении внутрь него газовой среды (воздуха) с давлением несколько выше атмосферного и возвращается к первоначальному объему (уменьшается) при выпуске газовой среды (воздуха).