Результат интеллектуальной деятельности: АНАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Данное изобретение касается аналитического устройства для анализа выдыхаемого воздуха пациента, предпочтительно для контроля наркоза пациента во время медицинского вмешательства, причем это аналитическое устройство сконфигурировано с возможностью определения содержания в выдыхаемом воздухе анализируемого вещества, содержащегося в выдыхаемом воздухе пациента, причем это аналитическое устройство содержит предпочтительно одну поликапиллярную колонку для предварительного разделения подвергаемого анализу выдыхаемого воздуха; и спектрометр ионной подвижности, в котором газовые компоненты выдыхаемого воздуха ионизируются и с ускорением направляются в детектирующее устройство; причем указанное аналитическое устройство показывает отклонения сигнала, которые производятся попадающими в детектирующее устройство ионизированными газовыми компонентами выдыхаемого воздуха.

Уровень техники

Из уровня техники известны спектрометры ионной подвижности, которые предназначены для обнаружения химических субстанций, боевых отравляющих веществ, взрывчатых веществ, допинга, наркотиков и т.д. Также, например, из полезной модели DE 202013105685 U1 известно применение таких спектрометров ионной подвижности в медицине, например, при контроле наркоза во время медицинского вмешательства. При этом наркотическое средство, например, пропофол непрерывно анализируется в выдыхаемом воздухе пациента.

Кроме того, из уровня техники известны аналитические устройства, которые содержат спектрометр ионной подвижности в комбинации с включенной перед ним поликапиллярной колонкой. Поликапиллярная колонка представляет собой газохроматографическую колонку, которая состоит из множества собранных в пакет единичных капилляров, которые удерживают различные анализируемые вещества в течение разного времени. Иными словами, газовые компоненты выдыхаемого воздуха для прохождения через эту поликапиллярную колонку требуют разного времени, так что проба выдыхаемого воздуха с помощью поликапиллярной колонки может предварительно разделяться (первое разделение). Продолжительность прохождения через поликапиллярную колонку при этом называется временем удерживания.

После предварительного разделения в поликапиллярной колонке газовые компоненты попадают в спектрометр ионной подвижности, а именно сначала в область ионизационной камеры этого спектрометра ионной подвижности, в которой газовые компоненты выдыхаемого воздуха ионизируются. Это происходит с помощью источника ионов, например, с помощью радиоактивного никеля. После ионизации ионы проходят через барьерную сетку и в области дрейфовой камеры спектрометра ионной подвижности ускоряются встречно направлению потока дрейфового газа к детектирующему устройству. Ионы различной массы и, соответственно, структуры достигают здесь различных дрейфовых скоростей, за счет этого отделяются друг от друга (второе разделение) и последовательно по времени попадают на детектирующее устройство. Продолжительность прохождения через область дрейфовой камеры называется временем дрейфа. Ускорение ионов в спектрометре ионной подвижности осуществляется с помощью электрического поля. Указанное аналитическое устройство выдает отклонения сигнала, которые вызываются ионизированными газовыми компонентами выдыхаемого воздуха, попадающими на детектирующее устройство.

В уровне техники при попытках предоставить такие анализирующие устройства для использования на пациенте во время медицинского вмешательства до сих пор не удавалось удовлетворительно справиться с высокой относительной влажностью выдыхаемого воздуха. До сих пор высокая влажность выдыхаемого воздуха всегда рассматривалась как вредящая результатам измерений. В уровне техники предлагаются лишь решения, помогающие снизить/обойти обусловленные влажностью воздействия, и позволяющие несмотря на высокую влажность выдыхаемого воздуха получить пригодные результаты измерений. Далее, недостаток уровня техники заключается в том, что аналитическое устройство после его включения только после промежутка времени в несколько дней может применяться для количественных измерений для анализа выдыхаемого воздуха, так как в течение этого времени выдаваемые отклонения сигнала непрерывно возрастают и только после этого стабилизируются на постоянном значении.

Краткое описание изобретения

Исходя из вышеизложенного задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить компактное, оптимизированное для конкретного случая применения аналитическое устройство для анализа выдыхаемого воздуха пациента, предпочтительно для контроля наркоза пациента во время медицинского вмешательства, с помощью которого могут производиться достоверные, точные, воспроизводимые и в течение длительного времени непрерывные измерения непосредственно после включения этого аналитического устройства.

Эта задача решается посредством аналитического устройства согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации и варианты выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы и/или поясняются в дальнейшем.

Данное изобретение касается аналитического устройства для анализа выдыхаемого воздуха пациента, предпочтительно для контроля наркоза пациента во время медицинского вмешательства, причем это аналитическое устройство сконфигурировано так, чтобы определять в выдыхаемом воздухе содержание анализируемого вещества, содержащегося в выдыхаемом воздухе пациента, и содержит: предпочтительно одну поликапиллярную колонку для предварительного разделения подвергаемого анализу выдыхаемого воздуха; и спектрометр ионной подвижности, в котором газовые компоненты выдыхаемого воздуха ионизируются и с ускорением подаются к детектирующему устройству; причем это аналитическое устройство выдает отклонения сигнала, которые вызываются ионизированными газовыми компонентами выдыхаемого воздуха, попадающими на детектирующее устройство. Содержание определяемого анализируемого вещества, содержащегося в подвергаемом анализу выдыхаемом воздухе, определяется блоком определения, предназначенным для того, чтобы определять содержание определяемого анализируемого вещества, содержащегося в подвергаемом анализу выдыхаемом воздухе, путем калибровки отклонения сигнала анализируемого вещества по отклонению сигнала, которое вызывается влажностью выдыхаемого воздуха.

При этом предпочтительно, если максимальное отклонение сигнала анализируемого вещества ставится в соотношение с максимальным отклонением сигнала, вызываемым влажностью выдыхаемого воздуха, и содержание анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе определяется при условии известной и постоянной относительной влажности выдыхаемого воздуха пациента, в частности, относительной влажности воздуха в 95% или характерной для пациента, заранее определенной относительной влажности воздуха.

Предпочтительно аналитическое устройство сконфигурировано таким образом, чтобы путем калибровки отклонения сигнала анализируемого вещества по отклонению сигнала, вызываемому влажностью выдыхаемого воздуха, осуществлять измерение содержания анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе при непрерывно возрастающих абсолютных отклонениях сигнала и, тем самым, непосредственно после включения этого аналитического устройства.

Иными словами, согласно данному изобретению, сначала определяется абсолютное, количественное, максимальное значение отклонения сигнала, которое производится влажностью выдыхаемого воздуха. Из-за высокой влажности выдыхаемого воздуха это значение может быть определено относительно просто, так как требуется найти лишь наибольшее (максимальное) отклонение сигнала из выдаваемых этим аналитическим устройством. И, наконец, принимается, что это абсолютное значение соответствует известному и постоянному содержанию влаги в выдыхаемом воздухе пациента. Это содержание влаги может быть всегда установлено, например, на одно постоянное значение, например, 95%, или может определяться характерное для пациента значение перед соответствующим медицинским вмешательством. Если хотят определить содержание конкретного анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе, то необходимо определить только абсолютное, количественное, максимальное значение отклонения сигнала анализируемого вещества. С помощью тройного правила затем можно вычислить содержание анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе. Этот описанный обратный расчет содержания анализируемого вещества в данном изобретении называется калибровкой.

Суть данного изобретения состоит, таким образом, в том, что известное и постоянное содержание влажности выдыхаемого воздуха пациента используется для определения содержания специального анализируемого вещества. Далее, суть данного изобретения заключается в том, что для определения содержания анализируемого вещества необходимо определять лишь соотношение между максимальным отклонением сигнала анализируемого вещества и максимальным отклонением сигнала, обусловленным влажностью. Таким образом, данное предлагаемое изобретением аналитическое устройство может работать даже при непрерывно возрастающих абсолютных значениях, т.е. непосредственно после включения этого аналитического устройства.

Предпочтительно определяемое анализируемое вещество является анестетиком, предпочтительно пропофолом. Если определяется содержание анестетика в выдыхаемом воздухе пациента, то могут быть сделаны выводы о глубине наркоза и, тем самым, контролируется наркоз пациента во время медицинского вмешательства.

Преимуществом при этом является, если это аналитическое устройство сконфигурировано так, что в заранее определенные короткие промежутки времени, в частности, по меньшей мере каждые пять минут, предпочтительно каждые две минуты, более предпочтительно каждую минуту определяется содержание анестетика в выдыхаемом воздухе, и полученные измеренные значения отображаются на дисплее.

Один предпочтительный пример выполнения характеризуется тем, что газовые компоненты выдыхаемого воздуха для прохождения через поликапиллярную колонку требуют разного времени, и продолжительность прохождения через поликапиллярную колонку обозначается как время удерживания; спектрометр ионной подвижности имеет область ионизационной камеры, в которой газовые компоненты выдыхаемого воздуха ионизируются, а также область дрейфовой камеры, в которой эти ионизированные газовые компоненты ускоряются и подаются в детектирующее устройство, и продолжительность прохождения через область дрейфовой камеры обозначается как время дрейфа; и это аналитическое устройство выдает отклонения сигнала в хроматограмме в зависимости от времени удерживания и времени дрейфа.

Предпочтительно в хроматограмме отклонение сигнала, вызванное влажностью выдыхаемого воздуха, по существу, не зависит от времени удерживания после определенного времени дрейфа, и представляет собой, в частности, максимальное отклонение сигнала в этой хроматограмме.

Предпочтительно отклонение сигнала, вызванное влажностью выдыхаемого воздуха, создается посредством возникающих при ионизации выдыхаемого воздуха и попадающих в детектирующее устройство реакционных ионов, в частности, H⁺(H₂0)ⁿ-ионов или 0₂^-(H₂0)ⁿ-ионов, которые в этой хроматограмме отличаются характеристическим отклонением сигнала.

Предпочтительно указанное аналитическое устройство имеет базу данных, в которой для различных анализируемых веществ записано по два значения для времени дрейфа и времени удерживания, причем посредством этих четырех значений, сохраненных в базе данных, в этой хроматограмме определяется область, в которой находится отклонение сигнала для определенного анализируемого вещества, причем предпочтительно ось времени дрейфа нормирована по отклонению сигнала, вызываемому влажностью выдыхаемого воздуха.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение разъясняется дальше с помощью чертежей. На них показано следующее.

Фиг. 1 - схематичное изображение предлагаемого изобретением аналитического устройства;

Фиг. 2 - трехмерный вид хроматограммы, на которой представлены отклонения сигнала в зависимости от времени дрейфа и времени удерживания;

Фиг. 3 - двухмерный вид хроматограммы, на которой представлены отклонения сигнала в зависимости от времени дрейфа и времени удерживания;

Фиг. 4 - показания на дисплее предлагаемого изобретением аналитического устройства; и

Фиг. 5 - блок-схема осуществляемых этапов до тех, пока данное предлагаемое изобретением аналитическое устройство не будет готово к измерениям.

Описание чертежей

Прилагаемые чертежи носят лишь схематичный характер и служат исключительно для понимания существа изобретения. Одинаковые элементы при этом снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями.

На Фиг. 1 показано схематичное изображение предлагаемого изобретением аналитического устройства 2. Это аналитическое устройство 2 имеет поликапиллярную колонку 4 и спектрометр 6 ионной подвижности. Поликапиллярная колонка 4 состоит из множества собранных в пакет единичных капилляров (не показано). Различные газовые компоненты выдыхаемого воздуха требуют для прохождения через поликапиллярную колонку 4 различного времени. Выдыхаемый воздух, который выбрасывается пациентом 8 и, как показано на Фиг. 1, подается в поликапиллярную колонку 4, с помощью этой поликапиллярной колонки разделяется на отдельные газовые компоненты. Время, которое требуется газовому компоненту для прохождения через поликапиллярную колонку 4, обозначается как время t_R удерживания.

После первого разделения с помощью поликапиллярной колонки 4 выдыхаемый воздух, соответственно, его газовые компоненты подаются в спектрометр 6 ионной подвижности. Спектрометр 6 ионной подвижности содержит область ионизационной камеры 10 и примыкающую к ней область дрейфовой камеры 14, которая от области ионизационной камеры 10 отделена посредством затвора 12 Брэдбери-Нильсена. В области ионизационной камеры 10 газовые компоненты выдыхаемого воздуха ионизируются посредством источника 16 ионизации (например, радиоактивного никеля). Затвор 12 Брэдбери-Нильсена управляет проникновением созданных в области ионизационной камеры 10 ионов в область дрейфовой камеры 14. Посредством электрического поля, создаваемого с помощью высоковольтных колец 18, эти ионы ускоряются к диску 20 Фарадея, который служит для обнаружения ионов. Непосредственно перед диском 20 Фарадея предусмотрен апертурный затвор 22 в качестве экранирующей решетки для емкостной развязки ионов. На имеющей диск 20 Фарадея стороне области дрейфовой камеры 14 предусмотрено впускное отверстие 24 для дрейфового газа, который протекает через внутреннее пространство 26 против направления дрейфа ионов и препятствует тому, чтобы незаряженные молекулы или частицы попадали в область дрейфовой камеры 14.

Ионы различной массы и, соответственно, структуры в области дрейфовой камеры 14 достигают различных дрейфовых скоростей, за счет этого отделяются друг от друга (второе разделение) и последовательно по времени попадают на диск 20 Фарадея. Продолжительность прохождения ионов через область дрейфовой камеры 14 обозначается при этом как время t_D дрейфа.

Указанное аналитическое устройство 2 сконфигурировано так, чтобы определять в выдыхаемом воздухе содержание анализируемого вещества, содержащегося в выдыхаемом воздухе. Этим определяемым анализируемым веществом в данном изобретении предпочтительно является анестетик, предпочтительно пропофол, который был введен пациенту 8 внутривенно, и который выдыхается пациентом в состоянии под наркозом вместе с выдыхаемым воздухом.

Насколько точно определяется содержание находящегося в выдыхаемом воздухе анализируемого вещества согласно изобретению, поясняется со ссылкой на Фиг. 2. На Фиг. 2 представлена хроматограмма, которая в качестве примера содержит два отклонения сигнала, которые создаются попавшими на диск 20 Фарадея, ионизированными газовыми компонентами, и выдаются этим аналитическим устройством 2 в зависимости от времени t_R удерживания и времени t_D дрейфа.

На Фиг. 2 представлено первое отклонение 28 сигнала и второе отклонение 30 сигнала. Первое отклонение 28 сигнала вызывается влажностью выдыхаемого воздуха, в частности, за счет возникающих при ионизации выдыхаемого воздуха, попадающих на диск 20 Фарадея реакционных ионов, в частности, H⁺(H₂0)ⁿ-ионов или 0₂^-(H₂0)ⁿ-ионов. Это первое отклонение 28 сигнала является, по существу, независимым от времени удерживания после определенного времени дрейфа в хроматограмме, и вследствие высокой относительной влажности выдыхаемого воздуха более 95% при анализе выдыхаемого воздуха всегда представляет собой максимальное, характеристическое отклонение сигнала в этой хроматограмме.

Второе отклонение 30 сигнала вызывается анализируемым веществом (например, анестетиком, предпочтительно пропофолом), содержание которого в выдыхаемом воздухе нужно определить.

Согласно изобретению, сначала определяется первый максимум (абсолютное, количественное значение) 32 первого отклонения 28 сигнала. Затем определяется второй максимум (абсолютное, количественное значение) 34 второго отклонения 30 сигнала. Для того, чтобы теперь получить содержание анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе, формируется, например, соотношение между вторым максимумом 34 и первым максимумом 32, и оно умножается на известное и постоянное содержание влаги в воздухе выдыхаемого воздуха пациента 8. Иными словами, согласно изобретению происходит калибровка второго максимума 34 второго отклонения 30 сигнала по первому максимуму 32 первого отклонения 30 сигнала.

На Фиг. 2 пунктирными линиями показаны еще и первый максимум 32' первого отклонения 28 сигнала и второй максимум 34' второго отклонения 30 сигнала. Эти первый максимум 32' и второй максимум 34' получились бы, если бы та же самая проба выдыхаемого воздуха подавалась бы еще раз в это аналитическое устройство 2 в более поздний момент времени. Иными словами, в принципе по мере увеличения времени после включения этого аналитического устройства 2 получатся возрастающие максимумы 32', 34' отклонений 28, 30 сигнала. Данное изобретение дает возможность подходящим образом обходиться с непрерывно возрастающими абсолютными отклонениями сигнала, так как согласно изобретению всегда нужно лишь сформировать соотношение между вторым максимумом 34, 34' и первым максимумом 32, 32'.

На Фиг. 3 представлен двухмерный вид полученной хроматограммы, в которой представлены различные полученные отклонения сигнала, например, опять-таки представленные на Фиг. 2 отклонения 28 и 30 сигнала. Как уже пояснялось выше, отклонение 28 сигнала представляет собой характеристическое для влажности отклонение сигнала и может находиться простым образом, так как оно после определенного времени t_D дрейфа является независимым от времени t_R удерживания.

Указанное аналитическое устройство 2 содержит базу данных 36, в которой для различных определяемых анализируемых веществ записаны по два значения для времени t_D дрейфа и времени t_R удерживания. Этими четырьмя значениями в этой хроматограмме определяется прямоугольная область 38, в которой находится отклонение сигнала для одного определенного анализируемого вещества. Предпочтительно эти значения для времени t_D дрейфа при этом нормированы по первому, характеристическому отклонению 28 сигнала.

Если теперь должен определяться второй максимум 34 второго отклонения 30 сигнала, то содержащимися в базе данных 36 значениями определяется прямоугольная область 38 в этой хроматограмме, и нужно лишь определить еще максимум/максимальное абсолютное значение в этой определенной прямоугольной области 38.

Как показано на Фиг. 4, указанное аналитическое устройство 2, например, каждую минуту измеряет/вычисляет/определяет содержание ppb (частиц на биллион) анализируемого вещества, предпочтительно анестетика в выдыхаемом воздухе пациента и выдает соответственно полученное значение содержания на дисплей. Благодаря этому врачу предоставляется возможность непрерывно анализировать содержание анестетика (пропофола) в выдыхаемом воздухе и контролировать наркоз пациента во время медицинского вмешательства. Например, врач может, если он, как показано на Фиг. 4, через 6 мин, соответственно, 7 мин замечает, что содержание анестетика в выдыхаемом воздухе снижается, снова ввести пациенту 8 анестетик внутривенно.

На Фиг. 5 показана блок-схема осуществляемых этапов до тех пор, пока предлагаемое изобретением аналитическое устройство 2 не будет готово к измерению. После включения прибора следуют инициализация, фаза разогрева, промывка и нулевое измерение. Эти этапы длятся менее 30 мин. Если выше речь шла о том, что измерение содержания анализируемого вещества в выдыхаемом воздухе может проводиться непосредственно после включения этого аналитического устройства 2, то под этим подразумевалось, что измерение содержания может проводиться самое позднее через 30 мин.

Перечень ссылочных обозначений

2 аналитическое устройство

4 поликапиллярная колонка

6 спектрометр ионной подвижности

8 пациент

10 область ионизационной камеры

12 затвор Брэдбери-Нильсена

14 область дрейфовой камеры

16 источник ионизации

18 высоковольтное кольцо

20 диск Фарадея

22 апертурная решетка

24 впускное отверстие

26 внутреннее пространство

28 первое отклонение сигнала

30 второе отклонение сигнала

32, 32' первый максимум

34, 34' второй максимум

36 база данных

38 прямоугольная область

40 дисплей