Способ определения концентрации компонент крови и устройство для его реализации

Группа изобретений относится к области специального оптического приборостроения и предназначена для анализа концентрации компонент веществ (растворов), в том числе и сильнорассеивающих свет, спектрального анализа веществ, анализа концентрации компонент крови человека, таких как гемоглобин, билирубин и т.п., без повреждения кожных тканей человека. Предложен способ определения концентрации компонент крови, заключающийся в подаче на поверхность пульсирующей среды с i определяемыми компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, а измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды и искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений, при этом производится принудительное изменение толщины измеряемого объекта, а измерение световых потоков осуществляется для каждой спектральной компоненты в как моменты изменения толщины объекта, так и в моменты минимального и максимального давления в капиллярах во время пульсации. Предложено устройство для определения концентрации компонент крови, состоящее из клипсы, спектрально изменяемого источника света и фотоприемного устройства, при этом дополнительно используется блок управляемого давления, измеритель толщины измеряемого объекта и управляющего устройства. Создано оптоэлектронное устройство, позволяющего неинвазивным путем, без повреждения кожных покровов определять абсолютное значение концентраций компонент крови человека. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и предназначено для анализа концентрации компонент веществ (растворов), в том числе и сильнорассеивающих свет, спектрального анализа веществ, анализа концентрации компонент крови человека, таких как гемоглобин, билирубин и т.п., без повреждения кожных тканей человека.

Спектральный анализ компонент не рассеивающего свет раствора обычно проводится обычными спектрофотометрами (анализатором спектра), принцип действия которых основан на измерении интенсивности спектрально-перестраиваемого света, прошедшего через кювету, в которой находится исследуемое вещество или объект, и одновременного измерения интенсивности света на той же длине волны излучения света, прошедшего через пустую или с растворителем кювету. Искомый результат определяют по отношению сигналов.

К недостаткам данного устройства стоит отнести невозможность производить анализ веществ, рассеивающих свет.

Анализ крови обычно производится путем забора определенной порции крови через поврежденную кожу или вену с последующим ее анализом на специальном лабораторном оборудовании.

Известен способ для неинвазивного (без повреждения кожи) анализа компоненты крови человека, описанное в заявке на изобретение WO 03/098213 «Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды» (авторы Чернов Е.И. и Головков О.Л.) и взятый в качестве прототипа, который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.

Данный способ основывается на утверждении, что рассеяние среды, не изменяются во время пульсации среды и в течении как минимум 1 с, а изменение толщины образца одинаково и регулярно, что в реальных условиях невыполнимо.

Устройство, взятое в качестве прототипа, №2065722 РФ, «Устройство для оценки кровоснабжения глазного дна» (авторы Соборов Г.И и др.) содержит осветительно-проекционный блок, формирующий две спектральные составляющие, офтальмоскоп, оптический делитель, два светофильтра, два фотоприемника и блок измерения отношения и формирования управляющих сигналов. Искомый результат определяют по отношению сигналов.

Основным недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет определять абсолютную концентрацию гемоглобина, так как измерение относительное.

Задача заявляемого технического решения - создание оптоэлектронного устройства, позволяющего неинвазивным путем, без повреждения кожных покровов определять абсолютное значение концентраций компонент крови человека.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании спектрально-перестраиваемого источника света, использовании блока управляемого давления, регулярно изменяющего толщину измеряемого объекта (кюветы, пальца, уха), блока измерения толщины объекта, измерении прошедшего через объект светового потока в моменты изменения давления и применении оригинальной математической обработки.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существующим признакам заявляемого изобретения. Отличие 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.

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

Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется фиг.1-2:

фиг.1 - прохождение лучей света через объект;

фиг.2 - устройство определения концентрации компонент крови;

фиг.3 - спектрально-управляемый осветитель для двух длин волн.

В приведенном устройстве-прототипе приведен способ определения концентрации компонент мутной среды, который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.

Для определения концентрации компонент мутной среды определим сигнал фотоприемного устройства 2 при прохождения лучей света в рассеивающей и поглощающей среде 3 в соответствии с фиг.1, при освещении ее источником света 1, излучающим на длине волны λ₁.

где I₀ - интенсивность падающего на объект света; g_λ1 - чувствительность фотоприемника на данной длине волны излучения; ρ_с - коэффициент рассеяния света постоянными источниками, такими как кости, кожа, сухожилью и т.п.; ρ_b - коэффициент рассеяния света кровью в капиллярах; μ_c и μ_b - факторы рассеяния света; L - толщина объекта; D - диаметр излучающего световода и входная апертура световода фотоприемника; с₁ - концентрация первой компоненты крови; ξ_1λ1 - коэффициент экстинкции - приведенный спектральный коэффициент поглощения, первой компоненты крови на данной длине волны излучения; с_i - концентрация i-й компоненты крови; ξ_iλ1 - коэффициент экстинкции i-й компоненты крови на данной длине волны излучения; ΔV/V - концентрация капилляров в измеряемом объеме. При этом коэффициенты экстинкции должны быть априорно известны.

При принудительном изменении толщины измеряемого объекта на малую величину ΔL можно преобразовать выражение (1) в следующий вид:

Для определения концентрации i компонент мутной однородной среды, для которой ρ_b=0 и ΔV/V=1, достаточно произвести измерение параметров Р_1λ и Р'_1λ при облучении объекта i+1 разными монохроматическими составляющими света, при этом для каждой монохроматической составляющей спектра излучения источника света должны быть известны коэффициенты экстинкции для определенной компоненты среды и эти коэффициенты должны быть разными как минимум для двух монохроматических составляющих спектра облучения. Искомый результат концентраций i компонент среды определяется из системы i+1 уравнений:

.

При этом в результате анализа было установлено, что чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, а так же чем меньше величина ΔL, тем выше точность измерения. Изменение на порядок рассеяния, поглощения и толщины объекта существенной роли на точность измерения не влияет, при этом погрешность измерения не превышает 10%.

Для неоднородного вещества, такого как наше тело, необходимо учитывать параметры ρ_b и ΔV/V. Данная задача имеет решение, так как неоднородность, а именно кровь пульсирует, в связи с этим в момент роста давления в капиллярах происходит увеличение сечения определенных капилляров и, следовательно, прирост концентрации капилляров δV. Тогда выражения Р_1λ1 и Р'_1λ1 преобразуются в выражения:

и

Если использовать выражения (1), (2) и (7), (8), можно записать систему уравнений:

Данная система уравнений имеет решение и из нее легко получить значения концентрации компонент крови в произвольно расположенных и произвольно пульсирующих капиллярах, с произвольным рассеянием света, как капилляров и крови, так и на внутренних неоднородностях.

В случае если при облучении объекта двумя спектрально-разнесенными источниками света, при которых коэффициенты экстинкции не изменяются для всех компонент, кроме одной, то для анализа именно этой одной компоненты вещества достаточно решения система из двух уравнений. Например, для неинвазивного анализа гемоглобина достаточно облучать объект двумя светодиодами с длинами волн λ₁ (например, 590 нм) и λ₂ (например, 650 нм), а концентрацию определять из выражения:

Способ неинвазивого определения концентрации гемоглобина в крови заключается в следующем:палец или ухо пациента фиксируется в клипсе, далее производится регулярное изменение толщины измеряемого объема, при этом производится изменение толщины измеряемого объекта в зоне анализа. Затем облучается участок поверхности измеряемого объема поочередно двумя светодиодами, излучающими на разных длинах волн λ₁ (например, 590 нм) и λ₂ (например, 650 нм), а с противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство. При этом для разных длин волн фотоприемным устройством измеряются минимальное и максимальное значения светового потока в моменты, как изменения толщины измеряемого объекта, так и моменты перепада давления в капиллярах, и концентрация гемоглобина измеряется по формуле (7).

Способ неинвазивого определения концентрации i компонент крови заключается в следующем: палец или ухо пациента фиксируется в клипсе, далее производится регулярное изменение толщины измеряемого объема, при этом производится изменение толщины измеряемого объекта в зоне анализа. Одновременно с этим облучается участок поверхности измеряемого объема, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне как минимум с фиксацией на i+1 разных монохроматических составляющих, при этом коэффициенты экстинкции любой из i компонент крови должны быть разными по крайне мере для двух монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство. При этом для разных длин волн света фотоприемным устройством измеряются минимальное и максимальное значения светового потока в моменты, как изменения толщины измеряемого объекта, так и моменты перепада давления в капиллярах, и концентрация концентрация компонент крови определяется из системы i+1 уравнений (6).

Устройство измерения концентрации компонент крови представлено на фиг.2 и состоит из световода осветителя 1, световода фотоприемного устройства 2, измеряемого объекта 3, блока управляемого давления 4, прижимной клипсы 5, спектрально-управляемого осветителя 6, фотоприемного устройства 7, измерителя толщины объекта 8, управляющего устройства 9.

Устройство измерения концентрации компонент крови работает следующим способом: палец или ухо пациента 3 фиксируется в клипсе 5 с помощью блока управляемого давления 4, которым производится фиксация объекта в клипсе и изменение толщины измеряемого объема 3, при этом с помощью измерителя толщины объекта 8 производится изменение толщины измеряемого объекта в зоне анализа, одновременно с этим с помощью спектрально-управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кожи поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн, при этом синхронно с помощью блока управляемого давления 4 производится изменение толщины измеряемого объекта. Фотоприемное устройство 7, связанное с поверхностью объекта 3 световодом 2, осуществляет измерение светового потока, прошедшего через исследуемый объект 3 в моменты сжатия объекта и ослабления давления на него для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока управляемого давления 4, измерителя толщины объекта 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который и производит определение концентрации компонент крови из системы i+1 уравнений (6). Блок управляемого давления 4 должен создавать повышенное и пониженное давление в момент максимального и минимального давления в капиллярах.

Так как для определения концентрации гемоглобина достаточно облучать объект на двух длинах волн, то можно использовать в качестве спектрально-управляемого осветителя 6 устройство, приведенное на фиг.3, в котором используются два светодиода 12 и 13, излучающие на двух длинах волн (например, 590 нм и 630 нм), излучение которых сводится на одну оптическую ось с помощью делительного зеркала 11, которое может быть дихроичным, само излучение вводится в торец световода 1 с помощью фокусирующей линзы 10.

В качестве спектрально-перестраиваемого осветителя 6, излучающего на множестве монохроматических длинах волн, можно использовать оптическую схему стандартного спектрофотометра, в котором используется источник света, излучающий во всей области видимого спектра и ближнем ИК, одна или две дифракционные решетки, шаговые двигатели, поворачивающие дифракционный решетки на определенный, точно установленный угол, и соответствующая оптика, которая коллимирует световые пучки и фокусирует полученное световое излучение с определенной монохроматической составляющей излучения на входную апертуру световода 1.

1. Способ определения концентрации компонент крови, заключающийся в подаче на поверхность пульсирующей среды с i определяемыми компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, а измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды и искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений, отличающийся тем, что производится принудительное изменение толщины измеряемого объекта, а измерение световых потоков осуществляется для каждой спектральной компоненты как в моменты изменения толщины объекта, так и в моменты минимального и максимального давления в капиллярах во время пульсации, при этом искомая величина концентраций i компонент крови определяется исходя из системы i+1 уравнений

где р_b - коэффициент рассеяния света кровью в капиллярах; ΔL - величина изменения толщины объекта; c₁ - концентрация первой компоненты крови; ξ_1λ1 - коэффициент экстинкции - приведенный спектральный коэффициент поглощения первой компоненты крови на данной длине волны излучения; c_i - концентрация i-й компоненты крови; ξ_iλ1 - коэффициент экстинкции i-й компоненты крови на данной длине волны излучения; δV - прирост концентрации капилляров в объеме V.

2. Способ определения концентрации компонент крови по п.1, отличающийся тем, что одна компонента крови определяется исходя из уравнения

.

3. Устройство для определения концентрации компонент крови, состоящего из клипсы, спектрально изменяемого источника света и фотоприемного устройства, отличающееся тем, что дополнительно используется блок управляемого давления, измеритель толщины измеряемого объекта и управляющего устройства, при этом искомая величина концентраций i компонент крови определяется исходя из системы i+1 уравнений

4. Устройство для определения концентрации компонент крови по п.3, отличающееся тем, что концентрация одной компоненты крови определяется по формуле

.