Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды, преимущественно крови, путем подачи оптического излучения на исследуемую среду, в том числе различные участки тела человека, измерении вышедшего из этой среды оптического излучения в течение времени, при котором происходит не менее одной пульсации исследуемой среды, и соответствующей математической обработке принятой информации. Использование изобретения дает возможность определять неинвазивным способом (без повреждения кожных покровов) концентрации компонент крови, например, производных гемоглобина.

 

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для определения соотношений концентраций компонент пульсирующих мутных сред, в том числе соотношений компонент крови в живых организмах.

Известен способ определения соотношений концентраций компонент мутной среды /1/, основанный на измерении парамагнетизма гемоглобина методом ядерного магнитного резонанса. На кровь через кожу (мутную среду) живого организма воздействуют постоянным и импульсным магнитным полем, регистрируют сигналы спинового эха. Соотношение концентраций оксигемоглобина (одной компоненты мутной среды) и дизоксигемоглобина (второй компоненты мутной среды) определяют по отношению амплитуд сигналов, полученных при разных последовательностях импульсов переменного поля.

Аппаратура, реализующая этот способ, достаточно громоздкая и дорогая и не может широко использоваться в повседневной практике (например, в лабораториях по анализу крови, расположенных в сельской местности), а кроме того, этим способом нельзя, например, определить соотношения концентраций всех основных производных гемоглобина.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения соотношений концентраций компонент среды, заключающийся в подаче оптического излучения на исследуемую среду (пробу крови), регистрации оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды, по параметрам которого определяют соотношения концентраций n компонент (производных гемоглобина) исследуемой среды /2/.

Этот способ обеспечивает хорошую точность измерения соотношений концентраций компонент среды (проб крови, подготовленных с использованием соответствующих разбавителей), если на среду подают слаборасходящееся оптическое излучение, и при прохождении его через эту среду в ней слабо проявляется диффузное рассеяние. (Это - требование к условиям работы спектрофотометра, с помощью которого реализуется этот способ). Однако при работе с мутными пульсирующими средами, например живыми организмами, наблюдается значительное диффузное рассеяние, которое случайным образом изменяет прохождения излучения через среду, что приводит к значительным погрешностям в определении соотношений концентраций ее компонент, а часто делает и просто невозможным определение этих соотношений.

Изобретение решает задачу регистрации соотношений концентраций компонент в пульсирующих мутных средах.

Сущностью изобретения является определение соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды, преимущественно крови, путем подачи оптического излучения на исследуемую среду, в том числе различные участки тела человека, измерения вышедшего из этой среды оптического излучения в течение времени, при котором происходит не менее одной пульсации исследуемой среды, и соответствующей математической обработки принятой информации.

Технический результат от использования изобретения заключается в неинвазивном (без повреждения кожных покровов) определении концентраций компонент крови, например производных гемоглобина.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды, заключающемся в подаче оптического излучения на исследуемую мутную среду, регистрации оптического сигнала, вышедшего из исследуемой мутной среды, по параметрам которого определяют соотношения концентраций n компонент мутной среды, в спектре оптического сигнала, вышедшего из исследуемой мутной среды, определяют не менее n-1 пар областей, удовлетворяющих предложенному критерию, и в решении предложенной системы уравнений относительно искомых соотношений концентраций n компонент пульсирующей мутной среды.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Сведений об известности отличительных признаков в совокупности признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого изобретения, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Способ определения соотношений концентраций компонент мутной среды заключается в следующем.

На исследуемую пульсирующую мутную среду подают оптическое излучение и регистрируют излучение, вышедшее из этой среды. При этом исследуемой мутной средой может быть практически любая достаточно прозрачная для данного спектрального оптического диапазона (при котором происходит измерение) часть тела человека с любой кожей и с любым распределением и строением капилляров. У людей с темной кожей для измерения параметров крови лучше использовать кончики пальцев. Далее за время, при котором происходит не менее одной пульсации среды (пульсации в живом организме, например теле человека, вызваны биением сердца), определяют не менее n-1 пар областей спектра оптического сигнала, вышедшего из пульсирующей мутной среды, для которых справедливы следующие равенства:

где , - соответственно максимальное и минимальное значения мощностей j-й монохроматической составляющей, относящейся к первой области из i-й пары областей спектра оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды,

, - соответственно максимальное и минимальное значения мощностей γ-й монохроматической составляющей, относящейся ко второй области из i-й пары областей спектра оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды,

m, q - количество (от 1 и более) монохроматических составляющих, определенных соответственно в первой и второй областях спектра оптического сигнала, составляющих i-ю пару.

Искомые соотношения концентраций (C₁/С_n)...(C_n-1/C_n) исследуемой пульсирующей мутной среды (определяемые относительно C_n или относительно концентрации любой другой компоненты среды) определяют из решения системы из n-1 уравнений вида:

где ...... - удельные спектральные показатели поглощения (коэффициенты экстинкции) 1...n компонент исследуемой пульсирующей мутной среды соответственно на длинах волн λ_i1j и λ_i2γ, для которых выполняется условие (1).

При определении критерия (условия) (1) и описания системы уравнений (2) были приняты следующие положения:

1) оптический сигнал, вышедший из исследуемой среды, анализируется как набор из k элементарных оптических пучков, прошедших среду по разным случайным оптическим путям (для тела человека это обусловлено рассеянием излучения поверхностью кожного покрова и внутренними структурами в теле человека);

2) мощность оптического сигнала Р^λ, вышедшего из исследуемой среды, на произвольной длине волны λ (т.е. монохроматическая составляющая оптического сигнала) математически описывается в виде суммы мощностей k элементарных оптических пучков (k→∞):

где К_λ - коэффициент, учитывающий спектральную составляющую падающего на исследуемую среду оптического излучения и спектральный коэффициент пропускания оболочки среды (кожи) на длине волны λ, L_v - длина оптического пути произвольного v-го элементарного светового пучка (L_v - произвольная и может меняться в широких пределах, что обусловлено отражениями и преломлениями излучения на оптических неоднородностях исследуемой среды, что и вызывает светорассеяние в среде), Y_v - коэффициент, учитывающий ту часть длины оптического пути произвольного v-го элементарного светового пучка, которая приходится на пульсирующие области (капилляры) исследуемой мутной среды (может принимать значения в диапазоне от 0 до 1), E_n ^λ - удельный спектральный показатель поглощения для длины волны λ той компоненты среды, которая заполняет промежутки между пульсирующими областями исследуемой мутной среды (для человека она в основном состоит из межклеточной жидкости, клеток и т.д., которые в основном состоят из воды), α_v - коэффициент, учитывающий пульсацию среды (α_v для разных элементарных световых пучков разный, а при диастолической волне α_v=0), C_t - концентрация t-й компоненты исследуемой среды (учитывается как безразмерная величина, в долях (частях) от объема или массы исследуемой мутной среды), а^λ _vβ - спектральный показатель, определяющий коэффициент отражения v-го элементарного светового пучка от β-й неоднородности мутной среды на длине волны λ, N_v - количество отражений, которым подвергается v-й элементарный световой пучок на всем своем оптическом пути L_v;

3) спектральные показатели поглощения компонент исследуемой мутной среды в исследуемой области спектра меняются плавно без скачков.

Подставив в (1) минимальные P_d (для систолической волны: при повышенном давлении крови, вызванном биением сердца) и P_c (для диастолической волны: при пониженном давлении крови) значения мощностей монохроматических составляющих, определяемых выражением (3) (для длин волн λ_i1j, λ_i2γ), в результате преобразований с учетом допустимых приближений (допустимых с точки зрения необходимой для практики точности) получаем систему из n-1 уравнений вида (2).

Из решения системы уравнений (2) определяют n-1 искомых соотношений концентраций анализируемых n компонент исследуемой мутной среды.

При определении соотношений концентраций производных гемоглобина области спектра оптического сигнала могут быть в диапазоне 600-1000 нм, для которого кожный покров достаточно прозрачен.

Если известна концентрация одной из компонент, то, определив соотношения между концентрацией этой компоненты и остальными компонентами, легко определяются концентрации остальных компонент.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Жерновой А.И. «Способ определения степени насыщения гемоглобина кислородом», заявка РФ на изобретение №93014664/14, МКИ G01N 33/49.

2. Семиколенова Е.А., Адамов С.А., Мосур Е.Ю. «Способ определения содержания основных производных гемоглобина», заявка РФ на изобретение №98101662/14, МКИ G01N 33/49.

Способ определения соотношений концентраций n компонент пульсирующей мутной среды, заключающийся в подаче оптического излучения на исследуемую пульсирующую мутную среду, регистрации оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды, по параметрам которого определяют соотношения концентраций n компонент исследуемой пульсирующей мутной среды, отличающийся тем, что в спектре оптического сигнала, вышедшего из исследуемой мутной среды в течение времени, при котором происходит не менее одной пульсации среды, определяют не менее n-1 пар областей, для которых выполняется условие

где , - соответственно максимальное и минимальное значения мощностей j-й монохроматической составляющей, относящейся к первой области из i-й пары областей спектра оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды;

, - соответственно максимальное и минимальное значения мощностей γ-й монохроматической составляющей, относящейся ко второй области из i-й пары областей спектра оптического сигнала, вышедшего из исследуемой среды;

m, q - количество (от 1 и более) монохроматических составляющих, определенных соответственно в первой и второй областях спектра оптического сигнала, составляющих i-ю пару, соотношения концентраций (C₁/C_n)...(C_n-1/C_n) исследуемой пульсирующей мутной среды определяют из решения системы из n-1 уравнений вида

где ..., ... - удельные спектральные показатели поглощения 1...n компонент исследуемой пульсирующей мутной среды соответственно на длинах волн λ_i1j и λ_i2γ, для которых выполняется условие (1).