Результат интеллектуальной деятельности: Способ мониторинга выдыхаемого пациентом воздуха для прогноза декомпенсации сахарного диабета

Изобретение относится к области медицины, а именно к эндокринологии и медицинской диагностике для прогноза декомпенсации сахарного диабета. Декомпенсированный сахарный диабет характеризуется нестабильным уровнем глюкозы в крови даже под инсулиновым воздействием. Течение диабета описано в работах: Старостина Е.Г. Острая декомпенсация обмена веществ при сахарном диабете (лекция). Проблемы Эндокринологии. 1998;44(6):32-39. Сахарный диабет 1 типа у детей. Этиология, патогенез, клиника, классификация, диагностика, подходы к лечению: учебное пособие / Л.В. Охремчук, Н.Н. Мартынович; ФГБОУ ВО ИГМУ Минздрава России, Кафедра педиатрии. - Иркутск: ИГМУ, 2020. - 68 с.

В отсутствии экстренной помощи, потенциальным завершением декомпенсированной стадии диабета является летальный исход.

Дисметаболические нарушения у пациентов с сахарным диабетом, потенцируют образование летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе, таких как ацетон, изопропанол, этанол, изопрен и других. Известно, что росту уровня сахара в крови соответствует возрастающая концентрация ацетона в выдыхаемом воздухе, а уровень изопрена повышается, если у человека падает сахар. Измерение диагностически значимых веществ в диагностически значимых концентрациях в выдыхаемом воздухе позволяет контролировать дисметаболические изменения в режиме мониторинга без сдачи биохимических анализов крови.

Известен способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и устройство для его реализации (патент RU2697809 от 20.08.2019). При анализе выдыхаемого воздуха используется комбинированный подход - определение газов с их концентрациями и анализ данных нейросетью. Газы и их концентрации в выдыхаемом воздухе определяют методом эмиссионной спектроскопии с помощью тлеющего разряда в видимых длинах волн. Недостатком данного метода являются потенциально малый порог чувствительности для различных газов в видимых длинах волн.

Известен способ экспресс-диагностики сахарного диабета (патент RU2368904 от 27.09.2009). Диагностика сахарного диабета проводится по содержанию микропримесей ацетона в выдыхаемом пациентом воздухе, при этом оценка содержания ацетона в образце осуществляется приборным комплексом концентрирующая центрифуга - масс-спектрометр. Существенным недостатком данного способа является измерение только концентрации ацетона, без других диагностически значимых веществ, потенциально выделяемых пациентами с декомпенсаций сахарного диабета.

Известны решения по диагностике состояния человека по анализам спектра выдыхаемого воздуха на основе инфракрасной лазерной спектроскопии с помощью квантово-каскадного лазера. В работе - измерительная аппаратура и способ анализа пробы газа с помощью инфракрасной абсорбционной спектроскопии (патент DE102009055320B4 от 01.09.2011), предлагается измерительное устройство выдыхаемых газов человека или животного. Также предлагается использование инфракрасного квантово-каскадного лазера. Наиболее существенным недостатком данного метода является невозможность комплексного исследования данных образцов спектров выдыхаемого воздуха для пациентов с различной степенью декомпенсации сахарного диабета, что достигается только анализом больших данных нейросетью.

Целью способа является повышение точности прогноза развития или утяжеления степени декомпенсации сахарного диабета с раннего возраста, за счет увеличения объективности и информативности параметров нарушений по диагностически значимым веществам в диагностически значимых концентрациях при мониторинге выдыхаемого воздуха нейронной сетью, при этом оценка образца спектра выдыхаемого воздуха осуществляется приборным комплексом на основе инфракрасной лазерной спектроскопии квантово-каскадным лазером с многопроходовой кюветой Эрриота.

Поставленная цель достигается тем, что:

1. Определяют спектры диагностически значимых веществ в диагностически значимых концентрациях в выдыхаемом воздухе нейронной сетью, при этом оценку образца спектра выдыхаемого воздуха осуществляют приборным комплексом на основе инфракрасной лазерной спектроскопии, который содержит модуль подачи пробы и пробоподготовки, соединенный с модулем анализа излучения, который в свою очередь соединен с модулем компьютера с нейронной сетью, причем модуль подачи пробы и пробоподготовки содержит пакет для сбора проб выдыхаемого воздуха, выполненный с возможностью соединения с осушителем проб выдыхаемого воздуха, через выходной клапан которого образец выдыхаемого воздуха подают в многопроходовую газовую кювету Эрриота, которая вместе с квантово-каскадным лазером и фотоприемником входит в состав модуля анализа излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализируемую газовую фазу у младенцев, находящихся в кювезе, отбирают принудительно из объема кювезы.

Точность диагностики при прогнозе декомпенсации сахарного диабета с раннего возраста составляет не менее 99%, что дает возможность своевременно проводить необходимые лечебные мероприятия.

Новизна предлагаемого решения заключается в том, что впервые:

1. Для прогноза развития или утяжеления степени декомпенсации сахарного диабета с раннего возраста, проводят мониторинг летучих органических соединений в выдыхаемом пациентом воздухе и определяют спектры диагностически значимых веществ в диагностически значимых концентрациях в выдыхаемом воздухе нейронной сетью, при этом оценку образца спектра выдыхаемого воздуха осуществляют приборным комплексом на основе инфракрасной лазерной спектроскопии, который содержит модуль подачи пробы и пробоподготовки, соединенный с модулем анализа излучения, который в свою очередь соединен с модулем компьютера с нейронной сетью, причем модуль подачи пробы и пробоподготовки содержит пакет для сбора проб выдыхаемого воздуха, выполненный с возможностью соединения с осушителем проб выдыхаемого воздуха, через выходной клапан которого образец выдыхаемого воздуха подают в многопроходовую газовую кювету Эрриота, которая вместе с квантово-каскадным лазером и фотоприемником входит в состав модуля анализа излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анализируемую газовую фазу у младенцев, находящихся в кювезе, отбирают принудительно из объема кювезы.

Технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого нами способа, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: обследуемый до еды или через 1 час после еды на выдохе наполняет пакет для сбора проб выдыхаемого воздуха, объемом около 2 литров, у младенцев, находящихся в кювезе, образец газовой фазы отбирают принудительно из объема кювезы. Образец газовой фазы из пакета для сбора проб выдыхаемого воздуха проходит осушку и поступает многоходовую газовую кювету Эрриота. Приборный комплекс состоящий из многоходовой газовой кюветы Эрриота, квантово-каскадного лазера, фотоприемника, компьютера с нейронной сетью реализуют метод инфракрасной лазерной спектроскопии и определяет спектры диагностически значимых веществ в диагностически значимых концентрациях в образце выдыхаемого воздуха. Среднее время обследования пациента не превышает 10 минут.

Заявляемый способ мониторинга выдыхаемого пациентом воздуха для прогноза декомпенсации сахарного диабета реализуется с помощью устройства, которое поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1.

Устройство содержит модуль подачи пробы и пробоподготовки 1, модуль анализа излучения 2, модуль компьютера с нейронной сетью 3, пакет для сбора проб выдыхаемого воздуха 4, осушителя проб выдыхаемого воздуха 5, выходного клапана осушителя 6, квантово-каскадный лазер 7, многопроходовую газовую кювету Эрриота 8, фотоприемник 9.

Устройство работает следующим образом. Модуль пробоподготовки 1 реализует осушку, забор и подготовку пробы. Пакет 4 с образцом выдыхаемого воздуха подсоединяют к осушителю проб выдыхаемого воздуха 5, где происходит удаление паров воды, затем через выходной клапан осушителя 6, образец выдыхаемого воздуха заполняет многопроходовую газовую кювету Эрриота 8. Излучение от квантово-каскадного лазера 7, многократно проходит внутри газовой кюветы Эрриота 8, где оно поглощается молекулами образца выдыхаемого воздуха и регистрируется фотоприемником 9. Модуль анализа излучения 2, реализует метод инфракрасной лазерной спектроскопии, регистрируя спектры диагностически значимых веществ в диагностически значимых концентрациях в образце выдыхаемого воздуха. Модуль компьютера с нейронной сетью 3, получает электрические сигналы от фотоприемника 9, выполняет математическую обработку, выполняя кластеризацию и классификацию проб, используется для анализа и визуализации результатов, также управляет работой всего устройства.

Предлагаемый способ был применен в группе, состоящий из 60 здоровых добровольцев и 60 добровольцев с СД1 в возрасте от 6 до 21 года. Образцы дыхания здоровых добровольцев и добровольцев с сахарным диабетом 1 типа были взяты в Государственном бюджетном учреждении здравоохранения «Морозовская детская городская клиническая больница Департамента здравоохранения Москвы». С каждым добровольцем было проведено десять измерений. Каждое измерение представляет спектр выдыхаемого воздуха. Всего было получено 1200 спектров, в том числе 46 девочек и 74 мальчика (34 ребенка в возрасте до 14 лет и 86 дети старше 14 лет). Из общего числа 60% было взято для обучения, 20% от общего числа было взято на валидацию, и 20% от общего количества спектров было взято для тестирования. Точность диагностики декомпенсации сахарного диабета с раннего возраста составляет не менее 99%.

Для определения чувствительности устройства используется стандартная газовая смесь с чистым азотом с концентрацией 1000 ppm по ацетону и этанолу. Чувствительность описанной установки составляет 157±63 и 67±41 ppb по этанолу и ацетону соответственно.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Пациент А., 15 лет. Сахарный диабет впервые диагностирован 6 лет назад. На фоне соблюдения диеты, терапии инсулинами короткого и длинного действия уровень сахара поддерживался в нормальных значениях 4,5-5,5 ммоль/л. За 6 лет отмечалось 7 периодов декомпенсации сахарного диабета при увеличении содержания сахара в крови выше 15 ммоль/л, которые сопровождались не выраженными нарушениями общего состояния, такими как легкое головокружение, слабость. Сонливость, которая сменялась раздражительностью. Пациент поступил в стационар с жалобами на слабость и рвоту, уровень гликемии - 15,6 ммоль/л. При анализе пробы выдыхаемого воздуха выявлены концентрации ацетона и этанола 78 и 198 ppb, соответственно. Был введен инсулин короткого действия. При этом значение концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе указывало на то, что у пациента имеет место быть выраженная стадия сахарного диабета, что говорит о возможном ухудшение состояния, что подтверждало определение уровня глюкозы в крови через 30 минут, который был выше 18 ммоль/л, суточная гипергликемия от 10,5 до 24,2 ммоль/л. Стабилизация состояния на 4 сутки.

Пример 2. Пациентка С.13 лет. Стаж сахарного диабета 4 года. За этот период дважды отмечалась декомпенсация сахарного диабета, которая требовала госпитализации в стационар. При поступлении в стационар концентрация ацетона в выдыхаемом воздухе составила 49 ppb, а этанола 57 ppb. Уровень гликемии - 15,8 ммоль/л. У пациента имело место умеренная декомпенсация сахарного диабета, что подтверждено измерениями уровня глюкозы в крови через 30 минут - 7,6 ммоль/л, суточная гипергликемия от 4,3 до 9.1 ммоль/л. Стабилизация состояния на конец 1 суток.

Пример 3. Пациент М., 6 лет, родился с массой тела 4,150 г, от женщины с гестационным диабетом в анамнезе, 3 беременность 3 роды. Сахарный диабет впервые диагностирован 2 года назад. На фоне проводимой терапии уровень сахара поддерживался в нормальных значениях 4,5-5,5 ммоль/л. За 2 года отмечалось 3 периода декомпенсации сахарного диабета при увеличении содержания сахара в крови выше 30 ммоль/л. Пациент поступил в стационар в прекоматозном состоянии. Со слов родителей за последние 3 дня ребенок потерял в весе 2,5 кг, жаловался на слабость, невозможность ходить и покалывание в ногах, суточный уровень сахара составлял от 4,4 до 7,2 ммоль/л. В день госпитализации появились жалобы на боль в глазах и неясность зрения, однократно синкопальное состояние. Госпитализированы бригадой скорой медицинской помощи в ОРИТ стационар. Уровень гликемии - 31,6 ммоль/л. При анализе пробы выдыхаемого воздуха выявлены концентрации ацетона и этанола 89 и 211 ppb, соответственно. При этом значение концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе указывало на то, что у пациента имеет место быть крайняя стадия сахарного диабета, что подтверждало определение уровня глюкозы в крови через 30 минут, который был выше 22 ммоль/л, суточная гипергликемия от 13,5 до 31,3 ммоль/л. Стабилизация состояния на 7 сутки.