Способ определения ph-активности биологически активной среды

Изобретение относится к области медицины. Для определения pH-активности биологической среды проводят измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров исследуемой среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующему физико-химическому составу среды. Сигналы формируют из динамической разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде. Нормируют информативные параметры: постоянную времени и установившийся потенциал по линеаризующему алгоритму их расчета за счет введения образцовой среды с известными информативными параметрами, которые регистрируют по интервалам времени от начала измерения нижнего порога до достижения верхнего порогового значения в каждом цикле измерения. Исследуемую величину установившегося значения pH определяют по интервалам времени в коде и известных информативных параметров образцовой среды. Способ повышает точность определения pH-активности биологической среды за счет введения образцовой среды с нормированными параметрами и двух порогов. 4 фиг., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике, в частности к измерению концентрации ионов водорода pH.

Известен способ [см. патент №2110207, кл. А61В 5/00 от 10.05.1998], заключающийся в определении кислотности желудочного содержимого. Для определения кислотности пациенту перорально вводится тест-драже и по степени увеличения амплитуды реогепатографических комплексов и снижения базового импеданса судят о величине кислотной продукции желудка. Недостатком данного способа является низкая точность за счет инвазивных измерений.

Существует способ [см. патент №6355158, кл. G01N 27/31 от 12.03.2002], заключающийся в измерении pH в средах, содержащих белок, основанный на применении нестеклянного ионоселективного электрода с полимерной мембраной.

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная неопределенностью вычисления эквипотенциальной точки.

За прототип принят зонд для определения pH-активности пищеводно-желудочного тракта [см. патент №4952282, кл. А61В 5/03 от 1994.01.15], содержащий эластичную трубку, на рабочем конце которой установлены измерительный и сравнительный электроды на постоянном токе, измеряющие pH.

Недостатком прототипа является отсутствие нормированных измерений на образцах при постоянном токе, который требует эквипотенциальной точки как меры отсчета кислотности.

Технической задачей способа является уменьшение метрологической и инструментальной погрешностей.

Поставленная техническая задача достигается следующим образом.

В способе определения pH-активности биологической среды за счет измерения измерительными и сравнительными электродами, изолированными друг от друга с высоким внутренним сопротивлением, электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующему физико-химическому составу среды, в отличии от известных решений вводят образцовую среду, которую с исследуемой средой регистрируют по интервалам времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждых циклах измерения, измеряемые сигналы формируют из динамической разности потенциалов между измерительными и сравнительными электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде, начало циклов измерений организуют за счет достижения амплитуд измеряемых сигналов уровня нижнего порогового значения после принудительного разряда в момент достижения их амплитуд верхнего порогового значения в конце предыдущих циклов измерения, исследуемую величину установившегося значения pH определяют по интервалам времени в коде относительно интервала времени в коде образцовой среды.

Предлагаемый способ поясняют фиг.1-4 на уровне временных диаграмм (Фиг.1), динамических характеристик (Фиг.2) и оценки эффективности (Фиг.3 и 4).

Определяют pH-активность биологической среды за счет измерения измерительными и сравнительными электродами, изолированными друг от друга с высоким внутренним сопротивлением, электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующему физико-химическому составу среды. Вводят образцовую среду, которую с исследуемой средой регистрируют по интервалам времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждых циклах измерения (Фиг.1). Измеряемые сигналы формируют из динамической разности потенциалов между измерительными и сравнительными электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде. Начало циклов измерений организуют за счет достижения амплитуд измеряемых сигналов уровня нижнего порогового значения U₀₁ после принудительного разряда в момент достижения их амплитуд верхнего порогового значения U₀₂ в конце предыдущих циклов измерения. Исследуемую величину E_pH установившегося значения pH определяют по интервалам времени τ₁₂ в коде N, относительно интервала времени τ₀ в коде N₀ образцовой среды.

Длительности импульсов τ₁ и τ₂ (см. Фиг.1) равняется:

где τ₁ - длительность импульса до нижнего порога, τ₂ - длительность импульса для верхнего порога, U₀₁, U₀₂ - нижний и верхний пороги и напряжения соответственно, Т - постоянная времени, E_pH - установившееся значение напряжения, соответствующее определяемому значению pH.

Широта импульсного сигнала τ₁₂ находится как разность длительности импульсов верхнего τ₂ и нижнего τ₁ порогов

Согласно формулам (1) и (2) широта импульсного сигнала для исследуемого материала будет рассчитываться как:

Для нахождения информативных параметров Т и Е вводят образцовую среду (Фиг.1) с известными информативными параметрами T и Е₀. Сопоставим исследуемую τ₁₂ и эталонную τ₀ широту импульсного сигнала, для этого составим систему, используя формулу (3).

Известно, что код N=F₀τ, тогда для предложенного способа, умножив правую и левую части уравнений системы (4) на F₀ (с учетом, что F₀T=N_max), получим:

Из второго уравнения системы (5) выразим N_max:

Преобразуя первое уравнение системы (5), получаем:

,

а после экспоненцирования следует

Опустив несложные преобразования, найдем информативный параметр E_pH:

По установившемуся потенциалу E_рH определяем искомую величину pH:

где: pH_и и Е_и - координаты изопотенциальной точки электродной системы; S₀ - чувствительность электродной системы при 0°С; α - температурный коэффициент чувствительности; t - температура исследуемого раствора.

Докажем метрологическую эффективность предлагаемого способа по динамической и методической погрешностям.

1. Определим динамическую погрешность предлагаемого способа, которую несложно оценить по широте импульсной динамической характеристики.

По измеряемой широте импульсов предлагаемого способа найдем параметры E^*, Т^* и построим моделируемую кривую U^* (фиг.2), где 1 - исследуемая кривая, 2 - моделируемая кривая.

Сравним исследуемую U кривую (фиг.2, кривая 1) с моделируемой U^* кривой (фиг.2, кривая 2):

Динамическую погрешность определим по относительной величине:

Результаты оценки погрешности приведены на фиг.3.

Анализ фиг.3 показывает, что погрешность не превышает 1,5%, так как ширина импульса не превышает постоянной времени Т=0,018.

2. Оценим методическую погрешность предлагаемого способа.

Для доказательства эффективности рассчитаем информативный параметр E_pH:

Найдем эффективность, которая рассчитывается через нелинейность:

Рассчитаем нелинейность η преобразования:

Оценим методическую погрешность ε:

Данные, полученные в ходе вычислений выражения (12), оформим в виде таблицы.

N0/Nmax	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
η	0,62	0,75	0,86	0,92	0,96	1	0,97	0,94	0,91	0,99	0,99
ε	38	25	14	8	4	0	3	6	9	1	1

По данным таблицы построим график (Фиг.4).

Например, для погрешности ε₁ прототипа, равной 10% (Фиг.4), получим диапазон 0.85-1.15. Оценим эффективность предлагаемого способа по диапазону

D1=1,5-0,85=0,3; D2=1,5-0,5=1; где D1 - диапазон прототипа, D - диапазон предлагаемого способа.

Получаем, что предлагаемый способ по расширению диапазона эффективнее прототипа в 3,33 раза. При этом погрешность ε₁=10, а погрешность ε₂ предлагаемого способа не превышает 1%. , т.е. эффективность повышается на порядок.

Таким образом, введение образцовой среды с нормированными параметрами и двух порогов в предлагаемом способе позволяют в 10 раз повысить точность предлагаемого решения по отношению к прототипу.

Способ определения pH-активности биологической среды за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров исследуемой среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующему физико-химическому составу среды, который формируют из динамической разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде и регистрируют по интервалам времени от начала измерения до достижения верхнего порогового значения в каждом цикле измерения, начало цикла измерения организуют за счет достижения амплитуды измеряемого сигнала уровня нижнего порогового значения после принудительного разряда в момент достижения его амплитуды верхнего порогового значения в конце предыдущего цикла измерения, отличающийся тем, что нормируют информативные параметры: постоянную времени и установившийся потенциал по линеаризующему алгоритму их расчета за счет введения образцовой среды с известными информативными параметрами, которые регистрируют по интервалам времени от начала измерения нижнего порога до достижения верхнего порогового значения в каждом цикле измерения, исследуемую величину установившегося значения pH определяют по интервалам времени в коде относительно интервала времени в коде и известных информативных параметров образцовой среды.