Устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов, в частности к определению количества глюкозы по времени спин-решеточной релаксации ядер T₁ в крови. Устройство содержит датчик ЯМР в виде катушки индуктивности для пальца руки, который расположен в зазоре постоянного магнита. Датчик связан с анализатором, выполненным в виде ЯМР-спектрометра. Приведено выполнение последнего. Устройство обеспечивает повышение точности и достоверности измерений. 4 ил.

 

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств особыми способами, в частности путем определения времени ядерной магнитной релаксации в сыворотке и в плазме крови T₁ на основе ядерного магнитного резонанса.

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее монокулярную трубу, строго фиксированной длины 330 нм, в которой расположены источники спектрального излучения, выполненные в виде светодиодов АЛ 360 красного и желтого цвета.

Патент Российской Федерации №2023270, МПК: G 01 N 33/66, 1994.

На глаз пациента с нормальным цветовосприятием воздействуют фиксированной пиковой яркостью импульсов желтого и красного цветов, определяют критическую частоту слияния мельканий, а затем рассчитывают искомую концентрацию. Устройство дает возможность определить отклонение содержания глюкозы в крови по величине производной. Применение устройства ограничено при нарушении цветовосприятия, при миопии и гиперметропии, когда глаз перестает быть оптическим прибором.

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик и анализатор, датчик выполнен в виде высокочастотного генератора, анализатор в виде измерительного моста и чувствительный индуктивный элемент, включенный в диагональ моста.

Измерения и анализ проводят с использованием высокочастотных колебаний, посредством воздействия пальца руки на чувствительный индуктивный элемент анализатора.

Патент Российской Федерации №2088927, МПК: G 01 N 33/49, 1997 (прототип).

В данном устройстве палец человека по существу является сердечником, изменяющим индуктивность чувствительного элемента анализатора. Эти изменения зависят от размеров пальца, от поверхности кожного покрова, которая может быть и мягкой, и грубой, что привносит существенные изменения в индуктивность.

Ни аналог, ни прототип не обладают высокой точностью оценки содержания глюкозы в крови. Дают возможность получить лишь качественную информацию об отклонениях содержания сахара в собственной крови в ту или другую сторону, если предварительно проведена обязательная индивидуальная тарировка с применением инвазивного метода.

Данное устройство устраняет недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом данного изобретения является возможность неинвазивной диагностики для любых пациентов, повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащем датчик для пальца руки с анализатором, анализатор выполнен в виде ЯМР-спектрометра, содержащего генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, микропроцессор, блок программного управления и магнит с однородным магнитным полем, в зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции, катушки генератора модулирующего напряжения звуковой частоты, датчик в виде датчика ЯМР с катушкой индуктивности для пальца руки и расположен в зазоре постоянного магнита, генератор изменения магнитного поля выполнен с возможностью скачкообразного изменения магнитного поля, а генератор асимметричных импульсов выполнен с возможностью формирования треугольных импульсов.

В зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость времени спин-решеточной релаксации T₁ от концентрации глюкозы для пальца руки, полученная авторами.

На фиг.2 представлена схема получения двух чередующихся амплитуд сигналов при несимметричной модуляции поля. Для создания несимметричной модуляции используется система модулирующих катушек, в которых ток изменяется по треугольному закону. Для изменения временного интервала внутри пары сигналов использована система катушек, в которых постоянный ток изменяют скачком по программе, заложенной в блоке управления.

На фиг.3 схематично представлена принципиальная схема, где: 1 - источник постоянного тока с катушками 1с, 2 - генератор треугольных импульсов для низкочастотной модуляции с катушками 2м, 3 - генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с катушками 3з, 4 - высокочастотный (ВЧ) генератор малых колебаний с датчиком ЯМР для пальца 4д, 5 - усилитель звуковой частоты, 6 - блок программного управления, 7 - процессор управления, записи и обработки сигналов ЯМР, 8 - магнит (в данном примере постоянный).

На фиг.4 представлена экспериментально полученная на макетной установке последовательность пар импульсов с изменяемым временным интервалом между ними. Амплитуда первого сигнала (левая вертикальная линия) остается постоянной, а амплитуда второго сигнала возрастает по мере увеличения временного интервала между ними. (На основании этих измерений проводятся вычисления времени спин-решеточной релаксации T₁).

Основой данного устройства неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, включающего измерения на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) времени спин-решеточной релаксации T₁, является прямая зависимость этого времени T₁ от концентрации глюкозы в крови (фиг.1).

Палец руки человека представляет собой практически идеальный объект для подобных измерений. В пальцах имеется множество капилляров, в которых скорость движения крови небольшая 0,5-1,2 мм/с, при этом сводится к минимуму влияние артефактов от движения. Объем, занимаемый межклеточной жидкостью, кровью и мышечной тканью, позволяет получать амплитуды сигналов поглощения ЯМР от жидкостной компоненты пальца, достаточные для дальнейшего усиления и обработки. Небольшие изменения соотношения объемов, занимаемых костной и мышечной тканями, которые могут быть у разных людей, не вносят существенных изменений в измеряемую величину T₁.

Таким образом, при регистрации магниторезонансного сигнала поглощения от пальца фактически измеряется сигнал от крови и межклеточной жидкости, а поскольку концентрация глюкозы в последней зависит от содержания ее в крови, то поведение времени релаксации непосредственно связано с концентрацией глюкозы в крови человека. По существу палец выполняет функцию сосуда, слабо влияющего на измерения параметров крови.

Устройство неинвазивного определения содержания глюкозы в крови человека работает следующим образом.

Палец помещают в индуктивном датчике 4д, представляющем собой катушку индуктивности диаметром 15 мм и высотой 15-20 мм, расположенную в зазоре постоянного магнита 8 и являющуюся частью колебательного контура генератора высокочастотных колебаний 4. Высокочастотные колебания электромагнитной энергии создаются генератором 4 в режиме слабых колебаний, при котором небольшие изменения добротности его задающего контура приводят к изменению амплитуды генерируемых колебаний, а изменение индуктивности или емкости - к изменению частоты этих колебаний. Палец, помещенный внутрь катушки, существенно (на несколько процентов) снижает частоту колебаний генератора. Для устранения этого нежелательного эффекта в устройстве предусмотрена система автоматической подстройки частоты ВЧ-генератора. Подают напряжение на генератор асимметричной модуляции 2, питающий катушки 2м, на генератор звуковой частоты 3, питающий катушки 3з, и управляющие импульсы от блока программного управления 6 на источник постоянного тока с катушками 1с, создающего в данном варианте скачки постоянного магнитного поля с помощью катушек 1с.

Уменьшение амплитуды колебаний контура генератора, вызванное поглощением электромагнитной энергии в момент резонанса, промодулированное звуковой частотой, усиливается резонансным усилителем высокой частоты. После амплитудного детектора сигнал усиливается узкополосным усилителем 5 на звуковой частоте модуляции. После второго амплитудного и импульсного детекторов сигнал поступает на АЦП и далее в ячейку памяти микропроцессора 7. Таким образом, в память микропроцессора записываются все сигналы ЯМР, а также временные интервалы между сигналами поглощения.

Сигналы поглощения появляются дважды в течение одного периода треугольной модуляции при выполнении условий ЯМР

Н₀=ω₀/γ_р=H_пм+nΔH_u+2H_м2t₁/T_м,

где ω₀ - частота генератора слабых колебаний,

γ_р - гиромагнитное отношение для ядер водорода,

Н₀ - напряженность магнитного поля, при которой происходит резонансное поглощение электромагнитной энергии,

Н_пм - напряженность магнитного поля, создаваемая постоянным магнитом,

ΔН_u - скачкообразное изменение напряженности магнитного поля при подаче одного управляющего импульса,

n - число поданных импульсов,

2Н_м - удвоенная амплитуда треугольной модуляции магнитного поля,

t₁ - время, прошедшее от начала периода до появления первого сигнала поглощения,

t₂=Т_м-t₁ - время появления второго сигнала, при этом время между двумя сигналами τ=Т_м-2t₁,

Т_м - период треугольной модуляции, при подаче одного управляющего импульса временной интервал между импульсами изменится на Δτ=Т_мΔН_u/4Н_м.

Использование двойной модуляции позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум и тем самым уменьшить погрешность определения времени T₁.

Требования к стабильности источника, создающего скачки магнитного поля, существенно снижаются, т.к. измерения проводят в режиме модуляции, амплитуда которой на много порядков превышает амплитуду флуктуаций в источнике тока. Дополнительная модуляция магнитного поля осуществляется на частоте звукового диапазона. Период следования токовых скачков кратен периоду треугольной модуляции Т_ск=nТ_м.

Время спин-решеточной релаксации T₁ определяется из соотношения

T₁=τ/-ln(l-A(τ)/A₁,

где τ - время между парой сигналов,

А(τ) - амплитуда второго сигнала,

A₁ - амплитуда первого сигнала, которая не ниже амплитуды второго сигнала А(τ) и в процессе измерений остается неизменной.

Некоторый разброс значений амплитуды первого сигнала A₁ определяет ошибку измерений времени спин-решеточной релаксации T₁. Вся информация об амплитудах первого и второго сигнала, а также временного интервала между ними поступает в компьютер, где по заданной программе определяют время спин-решеточной релаксации T₁ и при помощи калибровочного коэффициента определяют концентрацию глюкозы.

Устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик для пальца руки, связанный с анализатором, отличающееся тем, что анализатор выполнен в виде ЯМР-спектрометра, содержащего генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, микропроцессор, блок программного управления и магнит с однородным магнитным полем, в зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции, катушки генератора модулирующего напряжения звуковой частоты, датчик выполнен в виде датчика ЯМР с катушкой индуктивности для пальца руки и расположен в зазоре постоянного магнита, генератор изменения магнитного поля выполнен с возможностью скачкообразного изменения магнитного поля, а генератор асимметричных импульсов выполнен с возможностью формирования треугольных импульсов.