Устройство для неинвазивной диагностики инфекции helicobacter pylori

Полезная модель относится к устройствам для неинвазивной атравматичной диагностики гастродуоденальных заболеваний, вызываемых бактериями Helicobacter pylori (далее Н. pylori), в частности, к устройству, позволяющему определять и регистрировать в выдыхаемом воздухе продукты гидролиза мочевины уреазой Н.pylori, а именно аммиак с сопутствующими органическими аминами (далее аммиак). Устройство содержит средство отбора проб воздуха из ротовой полости, соединенное с входом камеры особой конструкции, в которой расположен электрохимический датчик аммиака, а также средства измерения, обработки и индикации сигнала, позволяющие многократно получать значения сигналов с электрохимического датчика аммиака, характеризующих содержание аммиака в ротовой полости пациента, и накапливать эти значения. Устройство позволяет значительно повысить специфичность определения инфекции Н.pylori, снизить вероятность постановки ложноположительного диагноза и определять наличие инфекции у слабоинфицированных пациентов.

Полезная модель относится к устройствам для неинвазивной атравматичной диагностики гастродуоденальных заболеваний, вызываемых бактериями Helicobacter pylori (далее Н.pylori), в частности, к устройству позволяющему определять и регистрировать в выдыхаемом воздухе продукты гидролиза мочевины уреазой Н.pylori, а именно аммиак с сопутствующими органическими аминами (далее аммиак).

Известны индикаторные трубки [патент RU №2100010 "Способ неинвазивной диагностики хеликобактериоза инвиво", Корниенко Е.А., Милейко В.Е., опуб. 27.12.97 Бюл. №36], обычно применяемые в газоаналитической практике для анализа воздуха на содержание аммиака, используя которые контролируют содержание аммиака в воздухе ротовой полости. Эти трубки заполнены селективным хемосорбентом, количественно адсорбирующим аммиак. При пропускании через трубку пробы анализируемого воздуха в зоне сорбции сорбент меняет окраску. Линейные размеры окрашенного столбика пропорциональны содержанию аммиака в пробе.

Использование стеклянных трубок небезопасно как для врача, так и для пациента. Их применение приводит к большой длительности проведения обследования в связи с необходимостью двукратного проведения измерения и их относительно малой чувствительности. Также трубки не позволяют сделать четкий вывод об инфицированности пациента из-за небольшой разницы уровней линейных размеров окрашенного хемосорбента, соответствующих исходному и нагрузочному содержанию аммиака.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент US №6509169, МПК C 12 Q 1/04 Detection of Helicobacter pylori I Ratcliff N. et at. - Опубл. 21.01.2003], содержащее две камеры, в каждой из которых выполнено входное отверстие для поступления анализируемого воздуха и в каждой из них размещен электронный или электрохимический датчик аммиака, изменяющий свое сопротивление при воздействии на датчик воздуха из легких и/или желудка пациента. В одной из этих камер установлено средство для поглощения аммиака, расположенное между входным отверстием и датчиком. Датчики подсоединены к средству для измерения их электрического сопротивления. Также устройство имеет средство для сравнения сопротивлений обоих датчиков и средство для продуцирования видимого выходного сигнала.

Устройство работает следующим образом: получают пробу газа из желудка и/или легких пациента и вводят в две камеры с датчиками, при этом в одной из них установлено средство для поглощения аммиака. Таким образом, при прохождении воздуха через датчики с одного из них получают сигнал в виде сопротивления, соответствующий содержанию аммиака в воздухе, а с другого - сигнал, соответствующий данной пробе воздуха с исключением из него аммиака на поглощающем аммиак средстве. Эти сигналы сравнивают с помощью электронного средства и выдают результат сравнения видимым сигналом, соответствующий позитивному или негативному диагнозу.

Недостатком этого устройства является то, что оно предполагает однократное определение содержание аммиака, т.е. только исходное содержание, и постановку диагноза на основании этого определения. Это может привести к недостоверности постановки диагноза, так как на это значение влияет не только наличие у пациента инфекции Н.pylori, но и особенности функционирования его печени и почек.

Чувствительность устройства мала, так как оно предназначено для работы с пробами воздуха малого объема. В связи с малой чувствительностью устройство не позволяет достоверно поставить диагноз слабо инфицированному пациенту, у которого содержание аммиака незначительно выше, чем у неинфицированного.

Кроме того, возможна потеря определяемого компонента на стадии пробоотбора и передачи воздуха к датчику за счет использования промежуточной емкости. При этом, как в этой промежуточной емкости, так и на всех соединительных элементах устройства возможна сорбция аммиака, приводящая к искажению результата измерения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для неинвазивной диагностики инфекции Н.pylori, которое обладает большей чувствительностью и позволяет более достоверно определять наличие инфицированности у пациентов, особенно у слабоинфицированных

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройстве для неинвазивной диагностики инфекции Н.pylori ин виво, содержащем средство отбора проб воздуха из ротовой полости, соединенное с входом камеры, в которой расположен электрохимический датчик аммиака, а также средства измерения, обработки и индикации сигнала, камера выполнена составной, ее крышка и основание при соединении образуют канал для прохода пробы воздуха, при этом электрохимический датчик аммиака закреплен в основании камеры таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала для прохода пробы воздуха, перед ним по ходу движения воздуха в полости канала для прохода пробы воздуха

установлен блок нагрева воздуха, выход камеры соединен с аспирационным устройством, дополнительно в устройство введены блок защиты электрохимического датчика аммиака, блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, а средства измерения, обработки и индикации сигнала содержат блок измерения, блок обработки и управления, блок памяти и блок индикации, при этом первый выход электрохимического датчика аммиака соединен с входом блока защиты электрохимического датчика аммиака, первый выход которого соединен с входом электрохимического датчика аммиака, а второй выход с входом блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, выход которого соединен с первым входом блока измерения, а выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, третий выход которого соединен с входом блока памяти, четвертый выход блока обработки и управления соединен с входом блока индикации, а второй вход блока обработки и управления соединен с выходом блока памяти.

В камере рядом с электрохимическим датчиком аммиака может быть установлен датчик температуры, а в устройство дополнительно введен блок усиления и фильтрации канала датчика температуры, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход блока усиления и фильтрации канала датчика температуры соединен со вторым входом блока измерения.

Вход блока нагрева воздуха может быть соединен с первым выходом блока обработки и управления.

Вход аспирационного устройства может быть соединен со вторым выходом блока обработки и управления.

Средство отбора проб воздуха из ротовой полости размещается перед камерой, соединено с ней шлангом и может представлять собой мундштук, конструкция которого позволяет фиксировать его во рту пациента и служит барьером для попадания слюны в пробу отбираемого воздуха [Baraldi E. et al. Measurement of exhaled nitric oxide in children, 2001 // Eur. Respir. J. - 2002. - Vol.20. - P.223-237].

Камера, в которой расположен электрохимический датчик, выполнена составной, ее крышка и основание при соединении образуют канал для прохода пробы воздуха.

Камера может быть выполнена из химически стойкой пластмассы, форма и размеры ее определяются габаритами размещаемых в ней датчика и других элементов устройства.

Электрохимический датчик аммиака, представляет собой, например, двухэлектродный датчик [Техническое описание сенсора аммиака Е-2 0-200 ppm NH₃. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"], или трехэлектродный датчик ЗАМ производства City Technology.

Электрохимический датчик закреплен в основании камеры таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала для прохода пробы воздуха.

По ходу движения воздуха перед электрохимическим датчиком на основании камеры установлен блок нагрева воздуха, который может быть выполнен в виде резистора типа МЛТ, расположен в канале камеры и закреплен, например, на основании камеры.

Блок нагрева воздуха устанавливается перед электрохимическим датчиком аммиака для того, чтобы путем нагрева анализируемого воздуха препятствовать конденсации паров воды на чувствительной поверхности датчика.

Рядом с электрохимическим датчиком аммиака, например, на основании камеры может быть установлен датчик температуры, который, например, выполнен в виде микросхемы AD 22100. Датчик температуры устанавливается, например, рядом с электрохимическим датчиком аммиака в связи с тем, что такое расположение позволяет быстро отслеживать изменение температуры воздуха в камере в области датчика, преобразуя значения температуры воздуха в канале камеры в электрический сигнал для обеспечения возможности слежения за температурой.

Выход камеры соединен с аспирационным устройством, обеспечивающим принудительную подачу воздуха из ротовой полости через камеру. Устройство установлено за камерой, соединено с ней посредством шланга, и может быть выполнено в виде, например, аспиратора или микрокомпрессора [Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - С.240-241].

В электронную часть устройства дополнительно введены:

- блок защиты датчика аммиака, схема которого позволяет как в случае использования двухэлектродного датчика, так и трехэлектродного:

- преобразовывать сигнал с электрохимического датчика аммиака в виде электрического тока в напряжение.

- защищать датчик от перегрузок при высоких уровнях содержания аммиака в пробе анализируемого воздуха

- препятствовать поляризации датчика при нахождении устройства в выключенном состоянии, что обеспечивает его непосредственную готовность к работе сразу после включения устройства.

При работе устройства, в случае использования трехэлектродного датчика этот блок позволяет компенсировать поляризацию датчика, которая приводит к сужению измерительного диапазона датчика.

Сохранение электрохимического датчика в рабочем режиме значительно ускоряет работу устройства и повышает достоверность постановки диагноза. При

работе устройства с несколькими пациентами подряд в случае сильной инфицированности одного из них, а, следовательно, и высокой концентрации аммиака в выдыхаемом им воздухе, датчик аммиака может войти в режим насыщения и, выходя из него, повлиять на постановку диагноза следующему пациенту, так как в этом случае возникают нелинейные искажения и электрический ток на выходе датчика не пропорционален реальной концентрации аммиака в воздухе.

Блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака может быть выполнен, например, на основе микросхемы AD 8542 и содержит двухкаскадный усилитель. Первый каскад по схеме разностного усилителя, а второй каскад по схеме неинвертирующего усилителя. Этот блок служит для усиления и фильтрации сигнала в канале электрохимического датчика аммиака, которые подготавливают сигнал для дальнейшей обработки.

Блок усиления и фильтрации канала датчика температуры может быть выполнен, например, на основе микросхемы AD 8541 и содержит, например, неинвертирующий усилитель. Этот блок служит также для усиления и фильтрации сигнала в канале датчика температуры, если это необходимо для дальнейшей обработки сигнала.

Средства измерения, обработки и индикации сигнала устройства содержат:

- блок измерения,

- блок обработки и управления,

- блок памяти

- блок индикации,

Функции блока измерения, блока обработки и управления и блока памяти в заявляемом устройстве выполняет микроконтроллер, например типа АТМеда163-8-А1, выпускаемый фирмой ATMEL.

Блок индикации может быть выполнен в виде ЖКИ WH 1602A -NGG-CP фирмы WINSTAR, на нем отображаются результаты обработки и режимы работы устройства.

С помощью блока сопряжения с компьютером, который может быть выполнен в виде микросхем FTDI232 либо ADM202 в зависимости от типа интерфейса, результаты обработки и режимы работы устройства могут быть переданы на персональный компьютер через стандартный интерфейс USB или RS-232. Через этот же блок и интерфейс программа, заложенная в персональный компьютер, позволяет управлять работой устройства.

Заявляемое устройство организовано и предназначено для анализа проб большего объема воздуха (суммарный объем 1-10 л). Устройство позволяет значительно повысить специфичность определения инфекции, снизить вероятность

постановки ложноположительного диагноза и определять наличие инфекции у слабоинфицированных пациентов за счет возможности многократного получения значений сигналов с электрохимического датчика аммиака, характеризующих содержание аммиака в ротовой полости пациента, накопления этих измерений и обработки определенным образом. Устройство просто в применении, что облегчает работу медперсоналу. Устройство конструктивно решено таким образом, что длина пути пробы воздуха из ротовой полости до датчика минимизирована в связи с отсутствием промежуточных емкостей для сбора или транспортировки проб воздуха. Это позволяет сократить потери определяемого компонента, обусловленные его сорбцией на стенках этих емкостей и соединительных элементов.

Определение инфицированности пациента осуществляют путем сравнения значений сигналов, соответствующих исходному содержанию аммиака в воздухе ротовой полости со значениями сигналов, соответствующих нагрузочному содержанию аммиака. Определение инфицированности может осуществляться одноразово, или непрерывно, или периодически.

При этом сравнение проводится как по максимальным значениям сигналов, так и по усредненным значениям сигналов. Также могут сравниваться скорости увеличения значений сигналов за определенный временной интервал, что позволяет оценивать кинетику ферментативного гидролиза.

Сущность заявляемого устройства поясняется графическими материалами, на которых изображено:

Фиг.1 - блок - схема устройства для неинвазивной диагностики инфекции Helicobacter pylori;

Фиг.2 - схема подключения блока защиты электрохимического датчика для двухэлектродного датчика

Фиг.3. - схема подключения блока защиты электрохимического датчика для трехэлектродного датчика.

Фиг.4 - конструкция камеры.

Устройство содержит (фиг.1): средство отбора проб 1, соединенное шлангом с входным отверстием камеры 2, составленной из крышки 3 и основания 4 с образованием между ними канала для прохода пробы воздуха (фиг.4). В этой камере 2 на основании 4 установлены блок нагрева воздуха 5, за ним электрохимический датчик аммиака 6, таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала камеры 2. Рядом с электрохимическим датчиком аммиака 6 на основании 4 камеры 2 расположен датчик температуры 7. Выходное отверстие камеры 2 соединено шлангом с аспирационным устройством 8. Также устройство содержит

блок защиты электрохимического датчика аммиака 9, блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, блок усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, а средства измерения, обработки и индикации сигнала содержат блок измерения 12, блок обработки и управления 13, блок памяти 14 и блок индикации 15, а также может быть использован блок сопряжения с компьютером 16.

При этом первый выход электрохимического датчика аммиака 6 соединен с первым входом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, второй выход электрохимического датчика аммиака соединен с вторым входом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, первый выход которого соединен с входом электрохимического датчика аммиака 6, а второй выход с входом блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, выход которого соединен с первым входом блока измерения 12, второй вход которого соединен с выходом блока усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, вход которого соединен с выходом датчика температуры 7, а выход блока измерения 12 соединен с первым входом блока обработки и управления 13, первый выход которого соединен с входом блока нагрева воздуха 5, второй выход соединен с входом аспирационного устройства 8, третий выход с входом блока памяти 14, четвертый выход с входом блока индикации 15, а второй вход блока обработки и управления 13 соединен с выходом блока памяти 14, кроме того пятый выход блока обработки и управления 13 может быть соединен с входом блока сопряжения с компьютером 16, выход которого в этом случае связан с третьим входом блока обработки и управления 13.

Схема блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 и его подключения к электрохимическому датчику аммиака 6, представлена на Фиг.2 для двухэлектродного электрохимического датчика аммиака, а на Фиг.3 - для трехэлектродного электрохимического датчика аммиака.

Для двухэлектродного датчика блок защиты электрохимического датчика аммиака 9 содержит преобразователь ток-напряжение 17, источник смещения 18, ограничитель напряжения 19, ключ 20, нагрузочное сопротивление 21, при этом выход преобразователя ток-напряжение 17 соединен с входом ограничителя 19, и является вторым выходом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, выход ограничителя 19 соединен с первым входом преобразователя ток-напряжение 17, и с первым выводом нагрузочного сопротивления 21, второй вывод которого соединен со вторым выводом ключа 20 и является входом блока защиты электрохимического датчика 6, первый вывод ключа 20 соединен с выходом источника смещения 18, со вторым входом преобразователя ток-напряжение и является первым выходом блока защиты электрохимического датчика 6.

Для трехэлектродного датчика блок защиты электрохимического датчика аммиака 9 дополнительно содержит устройство компенсации напряжения поляризации электрохимического датчика 6.

Устройство работает следующим образом:

В ротовой полости пациента размещается средство отбора проб воздуха 1 в виде мундштука. Воздух по соединительному шлангу поступает в камеру 2 и принудительно пропускается через камеру благодаря работе аспирационного устройства 8. Воздух в камере нагревается благодаря работе блока 5, установленного в канале камеры 2 перед электрохимическим датчиком аммиака 6. Далее нагретый воздух проходит по каналу камеры 2 над чувствительной поверхностью электрохимического датчика аммиака 6 и поступает на датчик температуры 7. Электрохимический датчик аммиака 6 вырабатывает сигналы в виде электрического тока, пропорционального величине содержания аммиака в пробе воздуха, которая подавалась на датчик.

Далее этот сигнал в виде электрического тока поступает на первый вход блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, и преобразуясь в напряжение при прохождении через преобразователь ток-напряжение 17, поступает на вход блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика 10. В случае высокой инфицированности пациента и соответственно высокой концентрации аммиака в анализируемом воздухе значение выходного тока электрохимического датчика аммиака 6 превышает допустимое значение. При этом ограничитель напряжения 19 исключает насыщение преобразователя ток- напряжение 17, обеспечивая его низкое входное сопротивление и требуемую нагрузку электрохимическому датчику аммиака 6, равную величине нагрузочного сопротивления 21. Нагрузочное сопротивление линеаризирует характеристику преобразования электрохимического датчика аммиака 6.

В случае поляризации датчика после проведения обследования сильно инфицированного пациента датчик остается поляризованным, что может сказаться на результате анализа следующего пациента. В этом случае изменяется полярность тока, идущего с электрохимического датчика аммиака 6. Источник смещения 18 обеспечивает прохождение обратного тока через преобразователь ток-напряжение 17.

В рабочем режиме устройства выводы ключа 20 разомкнуты и не оказывают влияния на работу схемы устройства. В отсутствие напряжения питания ток, текущий с электрохимического датчика аммиака 6, не может пройти через преобразователь ток-напряжение 17. В таком случае прохождение тока обеспечивает ключ 20, выводы которого замыкают вход и выход электрохимического датчика аммиака 6, обеспечивая его защиту от поляризации.

Преобразователь ток-напряжение 17 выполнен, например, на основе ОУ типа AD 8606, источник смещения 18 - на основе кремниевого диода BAV99, ограничитель напряжения 19 - на основе стабилитрона типа КС133А, ключ 20 - полевой транзистор КП103, нагрузочное сопротивление 21 - SMD-резистор.

В случае использования трехэлектродного датчика в схему блока защиты электрохимического датчика 9 должен быть введен блок компенсации поляризации 22.

Со второго (дополнительного) выхода электрохимического датчика аммиака 6 снимается напряжение, пропорциональное его поляризации, которое поступает на второй вход блока компенсации поляризации 22, где оно сравнивается с напряжением смещения. Результат сравнения с выхода блока компенсации поляризации 22 поступает на вход электрохимического датчика аммиака 6 в виде напряжения, компенсирующего внутреннее напряжение его поляризации.

В остальном работа блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 при трехэлектродном датчике аналогична работе блока защиты для двухэлектродного датчика.

Далее электрический сигнал с выхода блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 поступает на вход блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, где он усиливается и фильтруется для дальнейшей обработки. Ту же функцию выполняет блок усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, усиливающий электрический сигнал с выхода датчика температуры 7. Блок измерения 12, реализованный в виде встроенного в микроконтроллер 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя, переводит поступающие на его входы аналоговые электрические сигналы в цифровую форму. Блок обработки и управления 13, с помощью программы для микроконтроллера собирает цифровые данные с блока измерения 12, обрабатывает их и запоминает вместе с результатами обработки с помощью блока памяти 14, реализованного в виде встроенной статической памяти микроконтроллера. Еще одной функцией блока обработки и управления 13 является поддержание температуры на датчике в заданных пределах. При этом блок обработки и управления 13 анализирует данные датчика температуры 7 и в зависимости от их значения управляет блоком нагрева воздуха 5. Результаты обработки и режимы работы прибора отображаются с помощью блока индикации 15, реализованного, например, в виде стандартного жидкокристаллического дисплея. Эти же результаты могут быть отправлены с помощью блока сопряжения с компьютером 16 на персональный компьютер через стандартный интерфейс USB или RS-232. Через этот же блок и интерфейс программа персонального компьютера может управлять работой устройства.

В устройстве «зашита» методика проведения обследования, а именно, программа, реализуемая микроконтроллером. Таким образом, исключается возможность нарушения порядка действий при выполнении обследования, исключаются грубые промахи, и уменьшается погрешность измерения за счет точного измерения временных интервалов и исключения влияния человеческого фактора.

Конкретный порядок действий и условия проведения диагностики, реализующегося с помощью данного устройства, имеет вид программы, действующей, например, по следующему алгоритму:

1. Период измерения разбит на два участка:

"Базальный" - длительностью 1,5 мин.

"Нагрузочный" - длительностью 7,5 мин.

2. Измерительный цикл начинается сразу после приема пациентом мочевины.

3. Измерение производится 1 раз в секунду.

4. Рассчитывается среднее арифметическое значение всех измерений на каждом из участков.

5. Сравниваются значения средних арифметических для «базального» и «нагрузочного» участков.

6. Эти средние величины отображаются на устройстве индикации в виде двух столбиков, высоты которых пропорциональны значениям средних арифметических.

7. По соотношению высот столбиков делается вывод об инфицированности пациента.

1. Устройство для неинвазивной диагностики инфекции Helicobacter pylori, содержащее средство отбора проб воздуха из ротовой полости, соединенное с входом камеры, в которой расположен электрохимический датчик аммиака, а также средства измерения, обработки и индикации сигнала, отличающееся тем, что камера выполнена составной, ее крышка и основание при соединении образуют канал для прохода пробы воздуха, при этом электрохимический датчик аммиака закреплен в основании камеры таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала для прохода пробы воздуха, перед ним по ходу движения воздуха в полости канала для прохода пробы воздуха установлен блок нагрева воздуха, выход камеры соединен с аспирационным устройством, дополнительно в устройство введены блок защиты электрохимического датчика аммиака, блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, а средства измерения, обработки и индикации сигнала содержат блок измерения, блок обработки и управления, блок памяти и блок индикации, при этом первый выход электрохимического датчика аммиака соединен с входом блока защиты электрохимического датчика аммиака, первый выход которого соединен с входом электрохимического датчика аммиака, а второй выход с входом блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, выход которого соединен с первым входом блока измерения, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, третий выход которого соединен с входом блока памяти, четвертый выход блока обработки и управления соединен с входом блока индикации, а второй вход блока обработки и управления соединен с выходом блока памяти.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в камере рядом с электрохимическим датчиком аммиака установлен датчик температуры, в устройство дополнительно введен блок усиления и фильтрации канала датчика температуры, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход блока усиления и фильтрации канала датчика температуры соединен со вторым входом блока измерения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход блока нагрева воздуха соединен с первым выходом блока обработки и управления.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход аспирационного устройства соединен со вторым выходом блока обработки и управления.