Устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху

Полезная модель относится к устройствам для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху, в частности к амбулаторному оборудованию, позволяющему единовременно диагностировать несколько заболеваний путем многокомпонентного анализа состава выдыхаемого воздуха.

Устройство содержит средство для отбора выдыхаемого воздуха, датчики определенных газов, датчики физиологического состояния пациента и электронный блок для обработки сигналов и выдачи информации.

Устройство позволяет осуществлять единовременную диагностику заболеваний путем многокомпонентного анализа выдыхаемого пациентом воздуха и при этом повысить достоверность диагностики путем учета параметров, характеризующих физиологическое состояние пациента, получаемых одновременно с отбором выдыхаемого воздуха.

Полезная модель относится к устройствам для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху, в частности к амбулаторному оборудованию, позволяющему единовременно диагностировать несколько заболеваний путем многокомпонентного анализа состава выдыхаемого воздуха.

Известны устройства для неинвазивной диагностики заболеваний путем обнаружения определенного газа в выдыхаемом человеком воздухе:

- сенсорный газоанализатор ДИАБЕТСЕНСОР (http://www.casmos.ru/diab/diab.HTM) - прибор, позволяющий проводить диагностику диабета путем определения ацетона в составе выдыхаемого воздуха;

- ХЕЛИК®-аппарат (http://www.ama.spb.su/tests/breath/helic_device.html#description) - прибор, позволяющий проводить неинвазивную экспресс-диагностику инфекции Helicobacter pylori путем определения аммиака в выдыхаемом воздухе;

- HALIMETER® (http://www.halimeter.com/halimtr.htm) - прибор, позволяющий диагностировать галитоз путем определения сероводорода и др. сернистых соединений в выдыхаемом воздухе.

Все приборы, представленные выше, содержат средство для отбора воздуха, датчик определенного газа и электронный блок для обработки сигналов и выдачи информации.

Каждый из этих приборов предназначен для диагностирования только одного заболевания. Таким образом, при необходимости определения заболевания пациента приходится обследовать его последовательно каждым прибором в отдельности, что экономически невыгодно и занимает много времени.

Наиболее близким к заявляемому устройству и выбранным как прототип является прибор «Электронный нос», описание которого представлено на сайте http://www.pnc.ru/support/science/2004/09/20/science_39.html (сведения размещены 20.09.2004 г.).

Устройство содержит средство отбора воздуха, шесть газовых датчиков, блок стабилизации температуры, блок измерения влажности, блок электронного

преобразования сигналов датчиков, блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь, цифровой контроллер. Для анализа состава выдыхаемого воздуха используются газовые датчики на ацетон, аммиак, перекись водорода, диоксид углерода, оксид азота, кислород. Прибор считывает информацию с набора датчиков, осуществляет математическую обработку, вычисление концентрации газов в смеси, отображает информацию на встроенном дисплее и передает всю необходимую информацию в ЭВМ, где производится математическая обработка. Прибор определяет концентрации в выдыхаемом воздухе следующих газов: ацетона, аммиака, перекиси водорода, диоксида углерода, оксида азота, кислорода. При превышении концентрации одного из газов относительно нормы делается вывод об определенном заболевании.

Диагностика, осуществляемая таким устройством, недостаточно достоверна, т.к. на момент отбора пробы выдыхаемого пациентом воздуха не учитываются параметры, характеризующие его физиологическое состояние, такие, например, как пульс, температура тела, газовый баланс крови, частота и объем дыхания, интенсивность потовыделения и пр.

Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства, осуществляющего единовременно диагностику ряда заболеваний путем многокомпонентного анализа выдыхаемого пациентом воздуха. Технический результат заключается в повышении достоверности диагностики заболевания за счет учета параметров, характеризующих физиологическое состояние пациента, получаемых одновременно с отбором выдыхаемого воздуха.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство для диагностики заболеваний человека по составу выдыхаемого воздуха содержит средство для отбора выдыхаемого воздуха, соединенное с входом трубы газовой магистрали, выход которой соединен с аспирационным устройством, при этом в корпусе трубы газовой магистрали закреплены N газовых датчиков, каждый из которых предназначен для выявления в выдыхаемом воздухе определенного газа, датчик влажности, датчик температуры и датчик скорости потока воздуха, таким образом, что их чувствительные элементы расположены во внутренней полости трубы, а также снаружи на корпусе трубы газовой магистрали своей термоактивной частью закреплен терморегулирующий элемент, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования сигнала датчика температуры, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а второй выход соединен с первым входом цифрового контроллера, первый выход

которого соединен с входом блока управления аспирационного устройства, выход которого соединен с входом аспирационного устройства, а выход датчика влажности соединен с входом блока преобразования сигнала датчика влажности, выход которого соединен со вторым входом цифрового контроллера, второй выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации, при этом N выходов газовых датчиков соединены с соответствующими N входами блока преобразования сигналов газовых датчиков, N выходов которого соединены с соответствующими N входами блока коррекции сигналов газовых датчиков, N+1 вход которого соединен с выходом датчика скорости потока воздуха, a N+2 вход соединен с третьим выходом цифрового контроллера, а N выходов блока коррекции сигналов газовых датчиков соединены с соответствующими N входами блока коммутации, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразования, выход которого соединен с четвертым входом цифрового контроллера, а М выходов датчиков физиологического состояния соединены с соответствующими М входами блока преобразования сигналов датчиков физиологического состояния, М выходов которого соединены с соответствующими М входами блока коммутации.

Основной особенностью заявляемого устройства является то, что оно позволяет повысить достоверность проводимой диагностики заболевания за счет проведения как многокомпонентного обследования, так и многопараметрического математического анализа данных. При обследовании пациента регистрируются данные, получаемые от датчиков различных газов, которые показывают наличие и содержание этих газов в выдыхаемом пациентом воздухе, и, следовательно, становится возможным определить вид заболевания и его степень. Все это осуществляется единовременно, в процессе одной процедуры обследования, в отличие от ранее известных последовательно применяемых приборов, предназначенных для диагностики одного какого-либо заболевания. Заявляемое устройство позволяет проводить такую единовременную диагностику различных заболеваний более достоверно за счет того, что при анализе выдыхаемого воздуха газовыми датчиками, учитывается не только влажность воздуха, температура в канале прохождения выдыхаемого воздуха и скорость потока выдыхаемого воздуха, но и физиологическое состояние человека именно в момент его обследования. То есть, обследуемый пациент дышит в средство отбора выдыхаемого воздуха, а в это время у него измеряют, например, пульс, температуру тела, газовый баланс крови, частоту и объем дыхания, интенсивность потовыделения с помощью специальных датчиков,

расположенных на его теле. Все данные от этих датчиков поступают в систему обработки устройства и учитываются при осуществлении диагностики заболевания.

Полезная модель поясняется чертежом:

Фиг.1 - Блок-схема устройства для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху.

Устройство содержит: средство отбора выдыхаемого воздуха 1; трубу газовой магистрали 2; аспирационное устройство 3; блок управления аспирационным устройством 4; N газовых датчиков 5; блок преобразования сигналов газовых датчиков 6; датчик влажности 7; блок преобразования сигнала датчика влажности 8; датчик температуры 9; блок преобразования сигнала датчика температуры 10; датчик скорости потока воздуха 11; блок коррекции сигналов газовых датчиков 12; М датчиков физиологического состояния 13; блок преобразования сигналов датчиков физиологического состояния 14; блок коммутации 15; блок аналогово-цифрового преобразования 16; цифровой контроллер 17; терморегулирующий элемент 18.

При этом средство для отбора выдыхаемого воздуха 1 соединено с входом трубы газовой магистрали 2, выход которой соединен с аспирационным устройством 3. В корпусе трубы газовой магистрали 2 закреплены N газовых датчиков 5, каждый из которых предназначен для определения в выдыхаемом воздухе определенного газа. Также в корпусе трубы газовой магистрали закреплены датчик влажности 7, датчик температуры 9 и датчик скорости потока воздуха 11. Все датчики закреплены таким образом, что их чувствительные элементы расположены во внутренней полости трубы газовой магистрали 2. Снаружи на корпусе трубы газовой магистрали 2 своей термоактивной частью закреплен терморегулирующий элемент 18, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования сигнала датчика температуры 10, вход которого соединен с выходом датчика температуры 9, а второй выход соединен с первым входом цифрового контроллера 17, первый выход которого соединен с входом блока управления аспирационного устройства 4, выход которого соединен с входом аспирационного устройства 3, а выход датчика влажности 7 соединен с входом блока преобразования сигнала датчика влажности 8, выход которого соединен со вторым входом цифрового контроллера 17, второй выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации 15, при этом N выходов газовых датчиков 5 соединены с соответствующими N входами блока преобразования сигналов газовых датчиков 6, N выходов которого соединены с соответствующими N входами блока коррекции сигналов

газовых датчиков 12, N+1 вход которого соединен с выходом датчика параметров дыхания 11, a N+2 вход соединен с третьим выходом цифрового контроллера 17, а N выходов блока коррекции сигналов газовых датчиков 12 соединены с соответствующими N входами блока коммутации 15, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразования 16, выход которого соединен с четвертым входом цифрового контроллера 17, а М выходов датчиков физиологического состояния 13 соединены с соответствующими М входами блока преобразования сигналов датчиков физиологического состояния 14, М выходов которого соединены с соответствующими М входами блока коммутации 15.

Блоки, составляющие заявляемое устройство, могут быть реализованы следующим образом:

Средство отбора выдыхаемого воздуха 1 может быть выполнено как специализированная пульмонологическая дыхательная маска с двумя воздушными клапанами, пропускающими воздух в противоположных направлениях. Маска должна быть изготовлена из допущенного для медицинского наружного применения материала и быть безопасной для пациента и обслуживающего персонала. Конструкция маски должна обеспечивать ее герметичное прилегание к лицу обследуемого человека. Помимо медицинских требований должны выполняться химические требования к материалу маски - маска должна быть изготовлена из химически инертного и влагоустойчивого материала, не имеющего собственного запаха, например силиконовой резины без ароматических добавок или эластичного полипропилена. Например, можно использовать аэрозольную маску с клапанами фирмы INTERSURGICAL® (www.intersurgical.com).

Труба газовой магистрали 2 может быть изготовлена из химически инертного, теплопроводящего и влагоустойчивого материала, не имеющего собственного запаха. Труба должна иметь надежное, герметичное соединение со средством отбора выдыхаемого воздуха, с одной стороны и с аспирационным устройством, с другой. Конструктивно она должна быть выполнена так, чтобы в ней могли надежно и герметично крепиться газовые датчики, датчики влажности и температуры, а также на ее наружной поверхности терморегулирующий элемент 18, например элемент Пельтье - термоэлектрический модуль производства ГНПП ТФП "ОСТЕРМ СПБ" http://www.osterm.ru/.

Аспирационное устройство 3 состоит из воздушного компрессора и воздушного клапана. Воздушный компрессор должен откачивать воздух из газовой магистрали со скоростью, обеспечивающей нормальную работу газовых датчиков. В качестве компрессора можно, например, использовать «магнитоэлектрический микрокомпрессор МКМ-7 производства ОАО» Практик НЦ, Зеленоград. В качестве воздушного клапана можно использовать, например, 2-х ходовой клапан производства CV GENERAL VALVE CORPORATION&#61650.

Блок управления аспирационным устройством 4 должен обеспечивать управление работой компрессора и клапана, получая команды на включение и выключение каждого из них в виде сигналов с цифрового контроллера. Описание подобного преобразователя дано, например, в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Издание 5-е, переработанное. Перевод с английского Б.Н.Бронина, А.И.Коротова, М.Н.Микшиса, Л.В.Поспелова, О.А.Соболевой, Ю.В.Чечеткина. Издательство "МИР", Москва, 1998 г., стр.567-580.

Газовые датчики 5 - высокочувствительные, стабильные во времени газовые датчики. В качестве газовых датчиков, можно, например, использовать, полупроводниковые газовые сенсоры производства FIGARO, либо электрохимические сенсоры производства таких фирм, как: MST IT Gmbh (http://www.mst-it.com/rus/content/catalogue/gas);© Draeger-gerwerkAG-http://www.brandmaster.spb.ru/page/7/?itemid=1974). Например, можно использовать следующие сенсоры MST IT: H ₂S 2E 50S; СО 2E 300; Н₂ 2E 2000; NH₃ 3Е 100S; NO 3E 100.

Блок преобразования сигналов газовых датчиков 6 устроен так, что в нем сигналы с газовых датчиков преобразуются в сигналы, пропорциональные концентрациям газов. Таким образом, по сути, блок 6 является N-канальным преобразователем ток-напряжение. Описание преобразователя ток-напряжение дано, например, в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Издание 5-е, переработанное. Перевод с английского Б.Н.Бронина, А.И.Коротова, М.Н.Микшиса, Л.В.Поспелова, О.А.Соболевой, Ю.В.Чечеткина. Издательство "МИР", Москва, 1998 г., стр.181-268.

Датчик влажности 7 устроен так, что имеет на выходе электрический сигнал, зависящий от значения влажности. В качестве датчика влажности можно, например, использовать датчики HIH-3602-А фирмы HONEYWELL (http://www.honeywell.ru/products).

Блок измерения влажности 8 устроен так, что в нем сигнал с датчика влажности преобразуется в цифровой сигнал, пропорциональный влажности. По своей сути, блок 8 представляет собой аналого-цифровой преобразователь. В качестве блока 8 можно использовать, например, электронное устройство на базе AD7714 фирмы Analog Devices.

Датчик температуры 9 устроен так, что имеет на выходе электрический сигнал, зависящий от значения температуры. В качестве датчика температуры можно, например, использовать датчики HEL фирмы HONEYWELL. Основное требование к датчику температуры - это достоверное и точное измерение температур газовой среды в диапазоне не менее 20÷37 градусов.

Блок преобразования сигналов датчика температуры 10 устроен так, что имеет на первом выходе электрический сигнал, при подаче которого на терморегулирующий элемент последний создает необходимую температуру на своей термоактивной поверхности; на втором выходе блок 10 имеет цифровой сигнал, пропорциональный температуре. Таким образом, блок 10 состоит из двух частей: аналогового контроллера работой элемента 18, выполненного на базе прецизионного индустриального операционного усилителя, например AD795 фирмы Analog Devices и аналого-цифрового преобразователя, например AD7714 фирмы Analog Devices.

Терморегулирующий элемент 18 устроен так, что температура его термоактивной поверхности зависит от величины электрического сигнала на входе. В качестве терморегулирующего элемента можно использовать нагревательный элемент или элемент Пельтье соответствующей блоку 10 мощности, например, термоэлектрические модули производства ГНПП ТФП "ОСТЕРМ СПБ" http://www.osterm.ru/. Терморегулирующий элемент нагревает или охлаждает стенку газовой магистрали так, чтобы ее температура была постоянной во времени.

Датчик скорости потока воздуха 11 устроен так, что имеет на выходе электрический сигнал, зависящий от объемной скорости расхода газа. В качестве датчика расхода можно использовать, например, датчики расхода фирмы HONEYWELL. Диапазон измерения датчика должен соответствовать допустимому диапазону скоростей потока газа вдоль чувствительных элементов газовых датчиков.

Блок коррекции 12 должен состоять из следующих составных частей:

- N канального элемента обнуления, каждый канал которого содержит три входа: вход для сигнала с цифрового контроллера 17, вход для соответствующего сигнала блока 6, вход для сигнала датчика скорости потока воздуха 11 и один выход. На выходе

элемента сигналы равны нулю, если сигнал с цифрового контроллера сообщает что компрессор 3 выключен, а клапан аспирационного устройства 3 открыт или/и если сигнал с датчика 11 выходит за пределы установленного диапазона. В остальных случаях сигналы на выходе каждого канала элемента равны сигналам на выходе блока 6.

- N канального элемента математического преобразования сигналов, каждый канал которого содержит один вход для связи с соответствующим выходом элемента обнуления и один выход.

Сигнал на выходе каждого канала этого элемента связан с сигналом на входе пропорционально-интегрально-дифференциальным соотношением. Таким образом, этот элемент является n канальным ПИД-преобразователем. Например, можно использовать ПИД-регуляторы КС-44, КС-24, КС-33, КС-42 (http://technoline.ru/content/view/82/54/).

Датчики физиологического состояния 13 - высокочувствительные, стабильные во времени датчики таких, например, параметров, как:

Датчик пульса, например SS4LA - датчик пульс-плетизмограф Biopac Student Lab. (http://www.transonic.ru/biopac/ss41a.html) или нагрудный датчик пульса KETTLER (http://www.kettler.ru/catalog-17-47.htm).

Датчик кислорода, например накожный датчик Sp02 - ПАЛЬЦЕВАЯ КЛИПСА ТЕ1 Triton electronic systems (http://www.medcom.ru/triton/dat.htm).

Датчик температуры, например поверхностный температурный датчик Triton electronic systems (http://www.medcom.ru/triton/dat.htm).

Датчик артериального давления, например Суточный монитор артериального давления BPLab (http://www.bplab.ru).

Блок преобразования сигналов датчиков физиологического состояния 14 построен так, что в нем сигналы с датчиков физиологического состояния усиливаются и фильтруются от шумов. Таким образом, по сути, блок 14 является М-канальным масштабирующим усилителем. Описание таких усилителей дано, например, в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Издание 5-е, переработанное. Перевод с английского Б.Н.Бронина, А.И.Коротова, М.Н.Микшиса, Л.В.Поспелова, О.А.Соболевой, Ю.В.Чечеткина. Издательство "МИР", Москва, 1998 г., стр.181-268, 412-479.

Блок коммутации 15 имеет N входов для сигналов с блока коррекции сигналов газовых датчиков 12, М входов для сигналов с блока преобразования сигналов датчиков

физиологического состояния 14, управляющий вход для сигнала с цифрового контроллера 17 и выход для связи с входом блока аналого-цифрового преобразования 16. В качестве блока коммутации можно использовать, например, электронное устройство на базе мультиплексора ADG406 фирмы Analog Devices.

Блок аналого-цифрового преобразования 16 устроен так, что преобразует аналоговый сигнал на его входе в пропорциональный цифровой сигнал на его выходе. В качестве такого блока можно использовать, например электронное устройство на базе AD7714 фирмы Analog Devices.

Цифровой контроллер 17 устроен так, что имеет три входа для соединения с блоком преобразования сигнала датчика температуры 10, блоком преобразования сигнала датчика влажности 8 и блоком аналого-цифрового преобразования 16, соответственно, и три выхода для управления работой блока управления аспирационным устройством 4, блока коммутации 15 и блока коррекции сигналов газовых датчиков 12, соответственно. В качестве цифрового контроллера можно использовать контроллер на базе микропроцессора (например ATMEGA 106 фирмы ATMEL) либо компьютер.

Устройство работает следующим образом:

- Аспирационное устройство 3 создает перепад давления, за счет которого воздух из ротовой полости и/или носа пациента поступает в средство отбора выдыхаемого воздуха 1 и далее в трубу газовой магистрали 2. Средство отбора выдыхаемого воздуха может быть выполнено в виде стерильной лицевой маски с двумя дыхательными клапанами. Аспирационное устройство 3 состоит, например, из воздушного насоса и клапана. Включение и выключение насоса аспирационного устройства 3 осуществляется блоком управления аспирационным устройством 4, которое в свою очередь управляется от цифрового контроллера 17. Датчик скорости потока воздуха 11, расположенный в трубе газовой магистрали 2, измеряет скорость воздушного потока. N газовых датчиков 5, расположены таким образом, что их чувствительные элементы находятся в полости трубы 2. При наличии в выдыхаемом пациентом воздухе газовых компонентов, соответствующих различным заболеваниям, на выходах датчиков 5 возникают электрические сигналы, которые поступают на соответствующие N входов блока преобразования сигналов газовых датчиков 6, где преобразуются в сигналы, пропорциональные содержанию газовых компонентов в воздухе. С выхода блока преобразования сигналов газовых датчиков 6 сигналы поступают на соответствующие N

входов блока коррекции 12, где эти сигналы корректируются в соответствии со скоростью потока и режимом работы насоса аспирационного устройства 3. N сигналов с блока коррекции 12 поступают на соответствующие N входов блока коммутации 15. Одновременно с поступлением сигналов с газовых датчиков сигналы с М датчиков физиологического состояния 13, расположенных на теле пациента поступают на М входов блока преобразования сигналов датчиков физиологического состояния 14 и далее поступают на соответствующие М входов блока коммутации 15. Работа блока коммутации управляется цифровым контроллером 17. (N+М) сигналов с выхода коммутатора 15 поочередно поступают на вход блока аналого-цифрового преобразования 16, где преобразуются в цифровые сигналы, откуда поступают на вход цифрового контроллера 17.

Сигналы с датчиков влажности 7 и температуры 9 поступают на соответствующие блоки преобразования 8 и 10, что позволяет контролировать и регулировать влажность и температуру воздуха в газовой магистрали 2.

Диагностика патологических состояний пациентов производится следующим образом. Измеренные значения сигналов N газовых датчиков и М датчиков физиологического состояния регистрируются цифровым контроллером 17. В памяти контроллера занесены и хранятся показания N газовых датчиков и М датчиков физиологического состояния, измеренных у здоровых людей и у людей одним либо несколькими заболеваниями. Сравнение показаний датчиков у обследуемого пациента с показаниями датчиков, сохраненных в памяти контроллера, позволяет диагностировать отсутствие или наличие одного или ряда заболеваний. При этом, определенное заболевание может вызывать отклонение от нормальных показаний как одного датчика, так и нескольких сразу.

Устройство для диагностики заболевания человека по составу выдыхаемого воздуха, содержащее средство для отбора выдыхаемого воздуха, соединенное с входом трубы газовой магистрали, выход которой соединен с аспирационным устройством, при этом в корпусе трубы газовой магистрали закреплены N газовых датчиков, каждый из которых предназначен для выявления в выдыхаемом воздухе определенного газа, датчик влажности, датчик температуры и датчик скорости потока воздуха, установленные таким образом, что их чувствительные элементы расположены во внутренней полости трубы газовой магистрали, а также снаружи на корпусе трубы газовой магистрали своей термоактивной частью закреплен терморегулирующий элемент, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования сигнала датчика температуры, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а второй выход соединен с первым входом цифрового контроллера, первый выход которого соединен с входом блока управления аспирационного устройства, выход которого соединен с входом аспирационного устройства, а выход датчика влажности соединен с входом блока преобразования сигнала датчика влажности, выход которого соединен со вторым входом цифрового контроллера, второй выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации, при этом N выходов газовых датчиков соединены с соответствующими N входами блока преобразования сигналов газовых датчиков, N выходов которого соединены с соответствующими N входами блока коррекции сигналов газовых датчиков, N+1 вход которого соединен с выходом датчика скорости потока воздуха, a N+2 вход соединен с третьим выходом цифрового контроллера, а N выходов блока коррекции сигналов газовых датчиков соединены с соответствующими N входами блока коммутации, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразования, выход которого соединен с четвертым входом цифрового контроллера, а М выходов датчиков физиологического состояния соединены с соответствующими М входами блока преобразования сигналов датчиков физиологического состояния, М выходов которого соединены с соответствующими М входами блока коммутации.