RU2597943C1 - Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation - Google Patents
Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2597943C1 RU2597943C1 RU2015128845/28A RU2015128845A RU2597943C1 RU 2597943 C1 RU2597943 C1 RU 2597943C1 RU 2015128845/28 A RU2015128845/28 A RU 2015128845/28A RU 2015128845 A RU2015128845 A RU 2015128845A RU 2597943 C1 RU2597943 C1 RU 2597943C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- patient
- acetone
- discharge
- expired air
- concentration
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской диагностике. Предложенное техническое решение, может быть использовано для экспресс-диагностики, например, сахарного диабета, по содержанию микропримесей ацетона в выдыхаемом пациентом воздухе Использование указанного технического решения обеспечивает возможность контроля содержания глюкозы в крови больного диабетом посредством точного и чувствительного измерения концентрации паров ацетона в выдыхаемом воздухе пациента в режиме реального времени.The invention relates to medicine, namely to medical diagnosis. The proposed technical solution can be used for rapid diagnostics, for example, diabetes mellitus, by the content of acetal microimpurities in the patient’s exhaled air. The use of this technical solution provides the ability to control the glucose content in the blood of a diabetic patient by accurately and sensitively measuring the concentration of acetone vapor in the exhaled air of a patient in real time.
С медицинской точки зрения диабет является заболеванием, которое характеризуется абсолютной или относительной недостаточностью инсулина, сложным нарушением метаболизма и повышенным уровнем содержания глюкозы в крови. При дефиците инсулина глюкоза перестает быть доступным источником энергии, поэтому в качестве альтернативного источника энергии в организме больного начинается производство, так называемых, кетонов, Как хорошо известно, кетоны (например, ацетон) всегда присутствуют в крови. Заболевание диабетом является наиболее распространенной причиной патологического повышения производства ацетона организмом больного. Это происходит из-за недостаточного количества инсулина в крови. Организм больного может избавиться от ацетона через легкие, что придает дыханию больного сладковатый запах подгнивших фруктов. Большое количество ацетона, которое содержится в дыхании, означает, что клетки организма либо не имеют достаточно инсулина, либо они не могут использовать инсулин надлежащим образом. Повышенный уровень глюкозы в крови, как правило, приводит к тяжелым медицинским осложнениям, таким как: слепота, почечная недостаточность, а также к болезни сердца, к гангрене, ампутации конечностей и к преждевременной смерти.From a medical point of view, diabetes is a disease characterized by absolute or relative insulin deficiency, a complex metabolic disorder, and an elevated blood glucose level. With insulin deficiency, glucose ceases to be an available source of energy, therefore, as an alternative source of energy in the patient's body, the production of so-called ketones begins. As is well known, ketones (e.g. acetone) are always present in the blood. Diabetes is the most common cause of a pathological increase in acetone production by the patient. This is due to insufficient insulin in the blood. The patient's body can get rid of acetone through the lungs, which gives the patient's breath a sweetish smell of rotten fruit. A large amount of acetone, which is contained in the breath, means that the body cells either do not have enough insulin, or they cannot use insulin properly. Elevated blood glucose levels usually lead to severe medical complications, such as blindness, kidney failure, as well as heart disease, gangrene, amputation of the extremities, and premature death.
Имеющиеся в настоящее время методы ежедневного контроля уровня глюкозы в крови для проведения инсулиновой терапии, как правило, дороги, неудобны и достаточно болезненны. Обычно это делается путем прокалывания пальца и помещением капли крови на тест-полоски с нанесенными на них химических веществ чувствительных к глюкозе. Для того, чтобы строго контролировать уровень глюкозы в крови и эффективно смягчать возможные осложнения посредством инсулиновой терапии, для больных сахарным диабетом рекомендуется производить 4-7 тестов в день. Но из-за дороговизны тест-полосок, этот тип мониторинга уровня глюкозы в крови приходится проводить с частотой не более чем два раза в день. Кроме того, физические страдания приводят к частым уклонениям больных от этой жизненно важной процедуры. Особенно проблематично частое проведение этой манипуляции у больных детей. Отметим также довольно низкую точность измерения уровня глюкозы в крови в домашних условиях, которая согласно стандарту ISO 15197 для доступных глюкометров не превышает ±20% (Freckmann G., Baumstark Α., Jendrike Ν., Zschornack Ε., Kocher S., Tshiananga J., Heister F., Haug C. System Accuracy Evaluation of 27 Blood Glucose Monitoring Systems According to DIN EN ISO 15197 // Diabetes Technology & Therapeutics. 2010. 12, Is. 3. P. 221-231).Currently available methods for daily monitoring of blood glucose for insulin therapy are usually expensive, uncomfortable and quite painful. This is usually done by pricking a finger and placing a drop of blood on test strips with glucose-sensitive chemicals applied to them. In order to strictly control the level of glucose in the blood and effectively mitigate possible complications through insulin therapy, for patients with diabetes mellitus, it is recommended to perform 4-7 tests per day. But because of the high cost of the test strips, this type of monitoring of blood glucose levels has to be carried out with a frequency of not more than twice a day. In addition, physical suffering leads to frequent evasion of patients from this vital procedure. Particularly problematic is the frequent conduct of this manipulation in sick children. We also note the rather low accuracy of measuring blood glucose at home, which does not exceed ± 20% according to the ISO 15197 standard for available glucometers (Freckmann G., Baumstark Α., Jendrike Ν., Zschornack Ε., Kocher S., Tshiananga J ., Heister F., Haug C. System Accuracy Evaluation of 27 Blood Glucose Monitoring Systems According to DIN EN ISO 15197 // Diabetes Technology & Therapeutics. 2010. 12, Is. 3. P. 221-231).
Известны технические решения, представленные в различных неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом по дыханию человека. Все разработанные методы, в основном, можно разделить на две группы. К первой из них можно отнести методы, основанные на отличие отношения массы к заряду ионов детектируемых веществ или отличие их диффузионных свойств, ко второй используется отличие спектров поглощения или эмиссионных спектров различных веществ.Known technical solutions presented in various non-invasive methods for controlling the level of glucose in the blood of patients with diabetes in human respiration. All developed methods, basically, can be divided into two groups. The first of them includes methods based on the difference in the ratio of mass to charge of ions of detected substances or the difference in their diffusion properties, and the second uses the difference in the absorption spectra or emission spectra of various substances.
Первая группа методов включает в себя: Масс спектрометрию (Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. БИНОМ, 2003), Газовую хроматографию (Березкин В.Г. Газо-жидко-твердофазная хроматография. М.: Химия, 1986, 112 с), Масс-спектрометрия, совмещенная с газохроматографическим разделением (Mamyrin В.А., Time-of-flight mass spectrometry (concepts, achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206(3), 251-266.).The first group of methods includes: Mass spectrometry (AT Lebedev Mass spectrometry in organic chemistry. BINOM, 2003), Gas chromatography (VG Berezkin, Gas-liquid-solid phase chromatography. M: Chemistry, 1986, 112 c) Mass spectrometry combined with gas chromatography separation (Mamyrin V.A., Time-of-flight mass spectrometry (concepts, achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206 (3), 251- 266.).
Недостатком этих технических решений является непригодность для широкого ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени. Эти технические решения требуют использования сложного и громоздкого оборудования с применением сверхвысокого вакуума, больших объемов сверхчистых газов-носителей в сменяемых баллонах высокого давления; они сложны в реализации и требуют обслуживание квалифицированных операторов. Кроме того измерения занимают много времени на сбор образцов дыхания, на их транспортировку, хранение и на подготовку к анализу. Кроме того, следовые количества ацетона, которые присутствуют в дыхании пациента в присутствии большого количества паров воды, легко могут быть потеряны во время этих сложных процедур, поскольку ацетон является летучим и химически активный материалом, и он смешивается с водой практических в любых соотношениях. Поскольку эти перечисленные методы слишком сложны и дороги - они могут быть реализованы в только специализированных лабораториях и не подходят для ежедневного применения в амбулаторных или домашних условиях.The disadvantage of these technical solutions is the unsuitability for wide daily use on an outpatient basis or at home in real time. These technical solutions require the use of complex and bulky equipment using ultra-high vacuum, large volumes of ultra-pure carrier gases in replaceable high-pressure cylinders; they are difficult to implement and require the maintenance of qualified operators. In addition, measurements take a lot of time to collect breath samples, transport them, store them, and prepare for analysis. In addition, trace amounts of acetone that are present in the patient’s breathing in the presence of a large amount of water vapor can easily be lost during these complex procedures, since acetone is a volatile and chemically active material, and it mixes with water in almost any ratio. Since these methods are too complicated and expensive, they can only be implemented in specialized laboratories and are not suitable for daily use on an outpatient or home basis.
Известны технические решения, отнесенные ко второй группе неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом по дыханию пациента с использованием отличий спектров поглощения или эмиссионных спектров различных веществ, например: Спектроскопия комбинационного рассеяния: (Kharintsev S.S., Hoffmann G.G., Loos J., De With G., Dorozhkin P.S., Salakhov M. Kh., Subwavelengthresolution near-field Raman spectroscopy // Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2007, 105(5), 909-915); Фотоакустическая спектроскопия: (Zheng J., Tang Zh., He Y., Guo L. Sensitive detection of weak absorption signals in photoacoustic spectroscopy by using derivative spectroscopy and wavelet transform // Journal of Applied Physics, 2008, 103(9), 093116-(1-4)); Диодно-лазерная спектроскопия поглощения: (Yan W.-B., Trace gas analysis by diode laser cavity ring-down spectroscopy // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE, 2002, 4648, 156-164).Known technical solutions that are assigned to the second group of non-invasive methods for monitoring the level of glucose in the blood of patients with diabetes by the patient’s breathing using differences in absorption spectra or emission spectra of various substances, for example: Raman spectroscopy: (Kharintsev SS, Hoffmann GG, Loos J., De With G., Dorozhkin PS, Salakhov M. Kh., Subwavelengthresolution near-field Raman spectroscopy // Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2007, 105 (5), 909-915); Photoacoustic spectroscopy: (Zheng J., Tang Zh., He Y., Guo L. Sensitive detection of weak absorption signals in photoacoustic spectroscopy by using derivative spectroscopy and wavelet transform // Journal of Applied Physics, 2008, 103 (9), 093116 - (1-4)); Diode-laser absorption spectroscopy: (Yan W.-B., Trace gas analysis by diode laser cavity ring-down spectroscopy // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE, 2002, 4648, 156-164).
Недостатком этих технических решений является низкая точность и чувствительность измерений. А так же использования дорогих лазерных источников света, состоящих из лазеров накачки или перестраиваемых в широком спектральном диапазоне диодных лазеров и громоздких многопроходных ячеек поглощения. Зачастую, эти методы требуют использование криогенных температур, необходимых для функционирования источников излучения или детекторов. В случае использования спектроскопии поглощения, большое количество паров воды в дыхании пациента оказывает негативное влияние на чувствительность и точность измерений, поскольку пропускание многопроходных ячеек поглощения резко снижается вследствие конденсации паров на оптических окнах. Большое количество линий воды в регистрируемых спектрах представляют серьезную проблему для их расшифровки и интерпретации.The disadvantage of these technical solutions is the low accuracy and sensitivity of the measurements. As well as the use of expensive laser light sources, consisting of pump lasers or tunable in a wide spectral range of diode lasers and bulky multipass absorption cells. Often, these methods require the use of cryogenic temperatures necessary for the functioning of radiation sources or detectors. In the case of absorption spectroscopy, a large amount of water vapor in the patient’s breathing negatively affects the sensitivity and accuracy of measurements, since the transmission of multipass absorption cells is sharply reduced due to vapor condensation on the optical windows. A large number of water lines in the recorded spectra present a serious problem for their interpretation and interpretation.
К настоящему времени наибольший интерес вызывает эмиссионная спектроскопия видимого светового излучения разряда переменного или постоянного токов в выдыхаемом воздухе. Преимущество эмиссионной спектроскопии по сравнению с другими выше перечисленными методами заключаются в том, что не требуется применения сверхвысокого вакуума и криогенных температур. К тому же эмиссионная спектроскопия в видимом диапазоне длин волн малочувствительна к наличию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента в силу отсутствия сильных линий воды в этом диапазоне и имеет высокую спектральную селективность, ограниченную лишь уширением эмиссионных линий вследствие допплер-эффекта. Поскольку измерения производятся с использованием эмиссионного излучения, становится не нужным использование многопроходных ячеек поглощения. Кроме того, высокая селективность этого метода сочетается с широким спектральным диапазоном, охватывающим практически все биомаркеры, интересные для медицинских приложений. Регистрация эмиссионного спектра происходит практически на «нулевом световом фоне» в отличие от регистрации спектра поглощения, которое производится в условиях сильной засветки фотоприемника пробным излучением. Это позволяет достичь, большего соотношения сигнал/шум в случае эмиссионной спектроскопии, по сравнению со случаем спектроскопии поглощения. Появление на рынке оптических спектрографов с размерами спичечного коробка делает возможным создание компактных и простых эмиссионно-спектроскопических приборов пригодных для широкого использования.To date, the greatest interest is emission spectroscopy of visible light from a discharge of alternating or direct currents in exhaled air. The advantage of emission spectroscopy over other methods listed above is that it does not require the use of ultra-high vacuum and cryogenic temperatures. In addition, emission spectroscopy in the visible wavelength range is insensitive to the presence of water vapor in the exhaled air of the patient due to the absence of strong water lines in this range and has high spectral selectivity, limited only by broadening of the emission lines due to the Doppler effect. Since measurements are made using emission radiation, the use of multi-pass absorption cells becomes unnecessary. In addition, the high selectivity of this method is combined with a wide spectral range, covering almost all biomarkers that are interesting for medical applications. The emission spectrum is recorded almost on a “zero light background”, in contrast to the registration of the absorption spectrum, which is performed under conditions of strong illumination of the photodetector by test radiation. This makes it possible to achieve a greater signal to noise ratio in the case of emission spectroscopy, compared with the case of absorption spectroscopy. The appearance on the market of optical spectrographs with matchbox sizes makes it possible to create compact and simple emission spectroscopic instruments suitable for widespread use.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для определения и прецизионного измерения содержания алкоголя в дыхании человека (патент US 3830630 A «Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis», МПК G01N 27/16; G01N 33/497, опубликован 20.08.1974) Точность измерения в предложенном техническом решении достигается параллельным детектированием и измерением концентрации CO2, а также нормировкой сигнала, пропорционального концентрации алкоголя, на сигнал, пропорционального концентрации CO2. Дело в том, что сигнал по алкоголю и его измеренная концентрация сильно зависит от интенсивности, с которой испытуемый дышит в прибор: более сильное дыхание может производить более сильный сигнал, в то время как реальная концентрация алкоголя при этом является константой. Поскольку сигнал от СО2 так же пропорционален интенсивности дыхания, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка существенно повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации алкоголя в дыхании человека.A technical solution is known, which is a method and device for determining and precision measuring the alcohol content in human respiration (US patent 3830630 A "Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis", IPC G01N 27/16; G01N 33/497, published 20.08 .1974) The measurement accuracy in the proposed technical solution is achieved by parallel detection and measurement of CO 2 concentration, as well as normalization of the signal proportional to the alcohol concentration to a signal proportional to the CO 2 concentration. The fact is that the alcohol signal and its measured concentration strongly depends on the intensity with which the test person breathes into the device: stronger breathing can produce a stronger signal, while the actual alcohol concentration is constant. Since the signal from CO 2 is also proportional to the intensity of respiration, the authors of this patent have demonstrated that the proposed normalization significantly increases the accuracy and reproducibility of measuring the concentration of alcohol in human respiration.
Недостатком этого технического решения является необходимость в использовании дополнительного спектрального прибора для параллельного детектирования и измерения концентрации СО2, что существенно усложняет конструкцию прибора и затрудняет проведение измерений. Последнее, что очень важно, снижает чувствительность прибора и делает невозможным обнаружения сверхмалых концентраций ацетона на начальных стадиях заболевания, когда еще возможно излечение больного.The disadvantage of this technical solution is the need to use an additional spectral device for the parallel detection and measurement of the concentration of CO 2 , which significantly complicates the design of the device and complicates the measurement. The latter, which is very important, reduces the sensitivity of the device and makes it impossible to detect ultra-low concentrations of acetone in the initial stages of the disease, when it is still possible to cure the patient.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для неинвазивного мониторинга диабета посредством измерения концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе (Патент US 7417730 B2, «Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics», МПК G01J 3/30, G01N 21/73, опубликован 04.10.2007), выбранное в качестве прототипа. Техническое решение содержит линию отбора проб с источником несущего газа, разрядную ячейку, источник питания для инициирования и поддержания разряда, спектрограф и работает следующим образом: выдохнутый пациентом воздух в линию отбора проб смешивается с несущим газом. В качестве несущего газа используется сверхчистый аргон или гелий при атмосферном давлении. Затем смесь газов прокачивается через разрядную ячейку с расходом несущего газа порядка 1 литра в минуту. В ячейке поддерживается коронный разряд. Эмиссионный спектр разряда с помощью линзы или оптического волокна подается на спектрограф, сигнал с которого анализирует эмиссионный спектр пробы выдыхаемого воздуха пациента. Было обнаружено, что эмиссионный спектр ацетона представляет собой несколько пиков с центральным пиком около 516,5 нанометров. Этот пик был использован в качестве индикатора, по которому обнаруживался и измерялся ацетон в выдыхаемом воздухе пациента. Устройство было откалибровано с использованием смеси несущего газа и с добавлением паров ацетона, которое давало концентрацию ацетона 25 частей на миллион. Калибровку с более низкими концентрациями осуществлялась с помощью специализированных прецизионных контролеров. Была обнаружена линейная зависимость показания этого устройства от концентрации ацетона.A technical solution is known, which is a method and device for non-invasive monitoring of diabetes by measuring the concentration of acetone in exhaled air (Patent US 7417730 B2, "Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics", IPC G01J 3/30, G01N 21/73, published October 4, 2007), selected as a prototype. The technical solution contains a sampling line with a carrier gas source, a discharge cell, a power source for initiating and maintaining the discharge, a spectrograph and operates as follows: the air exhaled by the patient into the sampling line is mixed with the carrier gas. As a carrier gas, ultra-pure argon or helium at atmospheric pressure is used. Then the gas mixture is pumped through the discharge cell with a carrier gas flow rate of the order of 1 liter per minute. The cell supports corona discharge. The emission spectrum of the discharge using a lens or optical fiber is fed to a spectrograph, a signal from which analyzes the emission spectrum of a sample of exhaled air of a patient. The emission spectrum of acetone was found to be several peaks with a central peak of about 516.5 nanometers. This peak was used as an indicator by which acetone was detected and measured in the exhaled breath of the patient. The device was calibrated using a carrier gas mixture and acetone vapor, which gave an acetone concentration of 25 ppm. Calibration with lower concentrations was carried out using specialized precision controllers. A linear dependence of the readings of this device on the concentration of acetone was found.
Недостатком известного технического решения является применение разряда при атмосферном давлении, который характеризуется крайней нестабильностью горения. Это ведет к большим флуктуациям интенсивности эмиссионного излучения, это, в свою очередь, повышает шумы в измерительном сигнале, что резко снижает точность измерения концентрации ацетона и чувствительность технического решения.A disadvantage of the known technical solution is the use of a discharge at atmospheric pressure, which is characterized by extreme instability of combustion. This leads to large fluctuations in the intensity of emission radiation, this, in turn, increases the noise in the measuring signal, which sharply reduces the accuracy of measuring the concentration of acetone and the sensitivity of the technical solution.
Перед авторами ставилась задача разработать способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента пригодного для неинвазивного, широкого и ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени и устройство для его реализации.The authors were tasked with developing a method for monitoring small impurities of acetone in the exhaled breath of a patient suitable for non-invasive, widespread and daily use in outpatient or at home in real time mode and a device for its implementation.
Поставленная задача решается тем, что в способе мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента включающим использование источника питания, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы, блока анализа и обработки, осуществление забора выдыхаемого воздуха пациента с последующей подачей его в линию отборы пробы, инициирование разряда в разрядной ячейке, регистрацию эмиссионного спектра, анализирование эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха пациента, при этом, дополнительно используют насос прокачки, выполненный для понижения давления выдыхаемого воздуха пациента в разрядной ячейке, линию отбора пробы оснащают регулируемым клапаном, кроме того, дополнительно осуществляют регулирование натекания выдыхаемого воздуха пациента через линию отбора пробы регулируемым клапаном, осуществляют понижение давления выдыхаемого воздуха пациента в разрядной ячейке насосом прокачки, а инициацию разряда в разрядной ячейке осуществляют при пониженном давлении, анализирование эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха пациента выполняют посредством нормировки интенсивности этого эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента.The problem is solved in that in a method for monitoring small impurities of acetone in the exhaled breath of a patient, comprising using a power source, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line, an analysis and processing unit, sampling the exhaled air of the patient, followed by supplying it to the sampling line, initiating discharge in the discharge cell, recording the emission spectrum, analyzing the emission spectrum of the patient’s exhaled air sample, in addition, they use an additional pump, In order to reduce the pressure of exhaled air of the patient in the discharge cell, the sampling line is equipped with an adjustable valve, in addition, the flow of exhaled air of the patient through the sampling line is regulated by an additional valve, the pressure of the exhaled air of the patient in the discharge cell is lowered by a pump, and the discharge is initiated in the discharge cell is carried out under reduced pressure, the analysis of the emission spectrum of the patient’s exhaled air sample is performed in the middle Twomey normalizing the intensity of the emission spectrum of the concentration of water vapor in the breath of the patient.
Способ реализуется с помощью устройства для мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента, содержащего источник питания, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, блок анализа и обработки, которое дополнительно оснащено насосом прокачки, выполненного для понижения давления выдыхаемого воздуха пациента в разрядной ячейке, при этом, линия отборы пробы выполнена оснащенной регулируемым клапаном, а блок анализа и обработки выполнен осуществляющим нормировку интенсивности эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента.The method is implemented using a device for monitoring small impurities of acetone in the exhaled breath of a patient, containing a power source, spectrometer, discharge cell, sampling line, analysis and processing unit, which is additionally equipped with a pump pump designed to reduce the pressure of exhaled air of the patient in the discharge cell, at the same time, the sampling line is made equipped with an adjustable valve, and the analysis and processing unit is designed to normalize the emission spectrum intensity to concentration water vapor in the exhaled breath of the patient.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении точности и чувствительности в 15 раз в измерении концентрации малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента, а также в упрощении конструкции и, расширении ассортимента устройств данного назначения.The technical effect of the proposed technical solution is to increase the accuracy and sensitivity by 15 times in measuring the concentration of small impurities of acetone in the expired air of the patient, as well as to simplify the design and expand the range of devices for this purpose.
Заявляемый способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента реализуется с помощью устройства, которое поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - насос прокачки, 2 - разрядная ячейка, 3 - регулируемый клапан 4 - линия отбора пробы, 5 - источник питания, 6 - спектрометр, 7 - блок анализа и обработки.The inventive method for monitoring small impurities of acetone in the exhaled breath of a patient is implemented using a device which is illustrated in the flowchart shown in FIG. 1, where 1 is a pump for pumping, 2 is a discharge cell, 3 is an
На фиг. 2 представлен пример эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха пациента с добавлением ацетон.In FIG. Figure 2 shows an example of the emission spectrum of a patient's exhaled air sample with the addition of acetone.
На фиг. 3 представлена зависимость интенсивности эмиссионного спектра ацетона от его концентрации.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the intensity of the emission spectrum of acetone on its concentration.
На фиг. 4 представлен типичный эмиссионный спектр выдыхаемого воздуха пациента, больного диабетом.In FIG. 4 shows a typical emission spectrum of the expiratory air of a patient with diabetes.
На фиг. 5 представлен график зависимости концентрации глюкозы в крови от концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе для 2-х пациентов и одного человека, не имеющего заболевание диабетом.In FIG. Figure 5 shows a graph of blood glucose concentration versus acetone concentration in exhaled air for 2 patients and one person who does not have diabetes.
Заявляемый способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента основанный на использовании устройства для мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента, работает следующим образом. Устройство дополнительно оснащают насосом прокачки 1, который выполнен для понижения давления выдыхаемого воздуха пациента в разрядной ячейке 2, и линией отбора пробы 4, которую оснащают регулируемым клапаном 3. Первоначально, осуществляется забор выдыхаемого воздуха пациента с последующей подачей его в линию отбора пробы 4, затем с помощью регулируемого клапана 3, осуществляют регулирование натекания выдыхаемого воздуха пациента через линию отбора пробы 4. Далее, выдыхаемый воздух пациента поступает в разрядную ячейку 2, в которой во время работы поддерживается пониженное давление воздуха на уровне 10-100 Торр с помощью насоса прокачки 1 и регулируемого клапана 3. При достижении рабочего давления в разрядной ячейке 2 инициируют тлеющий разряд с постоянным током, который варьируется в диапазоне от 5 до 20 мА. Для поддержания разряда используется источник питания 5 с напряжением 1500 вольт и максимальным током до 20 мА. Далее, через оптоволоконный кабель эмиссионное излучение разряда направляется в спектрометр 6, сигнал с которого регистрируется и обрабатывается блоком анализа и обработки 7, который осуществляет нормировку интенсивности эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента посредством измерения параметров разряда. Для осуществления заявляемого способа используется спектрометр, например, оптоволоконный с высокой фотометрической чувствительностью в видимом спектральном диапазоне. Входная щель спектрографа с шириной 50 мкм и дифракционная решетка с 600 штрихами на 1 мм обеспечивают спектральное разрешение равное 1,2 нм.The inventive method for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient based on the use of a device for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient, works as follows. The device is additionally equipped with a
На Фиг. 2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха при добавлении в него ацетона. Этот эмиссионный спектр получен при концентрации ацетона равной 30 ppm. Ацетон в эмиссионном спектре представлен в виде 14 пиков различных амплитуд расположенных в интервале длин волн от 480 до 580 нанометров. Яркие линии с длинами волн 656 нм и 486 нм отвечают линиям водорода Нα и Ηβ серии Бальмера.In FIG. Figure 2 shows a typical emission spectrum of acetone obtained in a glow discharge of laboratory air with the addition of acetone. This emission spectrum was obtained at an acetone concentration of 30 ppm. Acetone in the emission spectrum is presented in the form of 14 peaks of various amplitudes located in the wavelength range from 480 to 580 nanometers. Bright lines with wavelengths of 656 nm and 486 nm correspond to the hydrogen lines of H α and Η β of the Balmer series.
Главная причина, по которой в прототипе использовались только чистые благородные газы в качестве несущих газов, было опасение, что ацетон будет разлагаться в воздушном разряде, в результате окисления ацетона кислородом воздуха.The main reason why the prototype used only pure noble gases as carrier gases was the fear that acetone would decompose in an air discharge as a result of the oxidation of acetone by atmospheric oxygen.
Были проведены эксперименты по регистрации эмиссионного спектра ацетона в отсутствии кислорода посредством использовании чистого азота и аргона в качестве газа носителя. Полученные эмиссионные спектры ацетона были неотличимы от эмиссионных спектров, зарегистрированных в воздушном разряде. Этот результат исключает гипотетическую возможность искажения эмиссионного спектра ацетона вследствие его окисления кислородом воздуха в тлеющем разряде.Experiments were conducted to record the emission spectrum of acetone in the absence of oxygen by using pure nitrogen and argon as the carrier gas. The obtained emission spectra of acetone were indistinguishable from the emission spectra recorded in the air discharge. This result excludes the hypothetical possibility of distortion of the emission spectrum of acetone due to its oxidation by atmospheric oxygen in a glow discharge.
На фиг. 3 представлена зависимость интенсивности эмиссионных спектров ацетона от его концентрации в воздухе. Для этого, в объем предварительной подготовки пробы, впрыскивались прецизионные порции жидкого ацетона, а после его испарения смесь через регулированный клапан вводилась в разрядную ячейку 2. При малых концентрациях ацетона эта зависимость с хорошей точностью является линейной, а затем при концентрации около 17,5 ppbm график выходит на насыщение. Было измерено, что пороговая чувствительность предлагаемого устройства на уровне шумов разряда, составляет величину порядка 1 ppbv. Такая большая чувствительность по сравнению пороговой чувствительностью прототипа (15 ppbv) явилась результатом применения разряда в разрядной ячейке 2 при пониженном давлении, когда шумы разряда сведены к минимуму. Достигнутая пороговая чувствительность предлагаемого устройства на уровне шумов разряда, составляет величину порядка 10 ppbv, что позволяет выявлять заболевание на ранней стадии, когда еще возможно избежать применения пожизненной инсулиновой терапии.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the intensity of emission spectra of acetone on its concentration in air. To do this, precision portions of liquid acetone were injected into the volume of preliminary sample preparation, and after its evaporation, the mixture was introduced into the
Для нормировки полезного сигнала использовалось уменьшение тока разряда, который снижался вследствие уменьшения температуры и подвижности электронов разряда из-за их столкновений с молекулами воды. Это уменьшение может быть экстрагирован непосредственно из-за источника питания, поэтому в предлагаемом способе нет необходимости использования дополнительных спектрографов или фотоприемников.To normalize the useful signal, we used a decrease in the discharge current, which decreased due to a decrease in the temperature and mobility of the discharge electrons due to their collisions with water molecules. This decrease can be extracted directly due to the power source, therefore, in the proposed method there is no need to use additional spectrographs or photodetectors.
Клинические испытания предлагаемого технического решения проводились в НИИ физиологии и фундаментальной медицины СО РАМН. В испытаниях участвовали три пациента, двое из которых были больны диабетом около 10 лет, третий был на начальной стадии болезни с компенсированным недостатком инсулина в организме.Clinical trials of the proposed technical solution were carried out at the Research Institute of Physiology and Fundamental Medicine SB RAMS. Three patients participated in the trials, two of whom had diabetes for about 10 years, the third was at the initial stage of the disease with a compensated lack of insulin in the body.
Перед проведением каждого измерения снимался эмиссионный спектр воздуха помещения, который брался в качестве опорного. Далее, производился анализ крови с целью установления уровня глюкозы в крови каждого больного. Анализ крови на сахар в крови производился на приборе Yellow Springs Instruments. Затем просили пациентов просто дышать в объем предварительной подготовки пробы до достижения нужного потока исследуемого воздуха в линии отборы пробы устройства. Эти тесты были проведены для всех исследуемых пациентов натощак перед завтраком. Всего были протестированы двое больных пациента и один пациент, не имеющий заболевание диабетом.Before each measurement, the emission spectrum of the room air was taken, which was taken as a reference. Further, a blood test was performed to establish the level of glucose in the blood of each patient. A blood sugar test was performed on a Yellow Springs Instruments instrument. Patients were then asked to simply breathe in the volume of preliminary sample preparation until the desired flow of test air was reached in the sampling line of the device. These tests were performed on all fasting patients examined before breakfast. In total, two sick patients and one patient without diabetes were tested.
На фиг. 4 показан типичный эмиссионный спектр, полученный у одного из пациентов, болеющего диабетом в течение десяти лет. На графике хорошо видны характерные спектральные линии ацетона подобные тем, которые представлены на фиг. 2. Линия в области 337 нм соответствует молекулярному газу NO, который является биомаркером таких заболеваний, как рак органов пищеварения, астмы, гастрита и др. В области от 350 до 430 нм находятся широкие спектральные полосы, отвечающие метану, который является индикатором расстройства желудочно-кишечного тракта пациента. Отметим, полное отсутствие линий воды, не смотря на то, что водяные пары в дыхании составляют заметную долю. В эмиссионном спектре также имеется ряд неидентифицированных молекулярных полос и линий, которые требуют дальнейшего исследования. Измеренная зависимость концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе пациента от концентрации глюкозы в крови представлена на фиг. 5. Каждая точка этой зависимости представляет собой отдельное измерение для одного пациента. Крайняя левая точка является результатом измерения условно здорового человека. Погрешность измерения концентрации ацетона достаточно мало и представляет собой статистическую ошибку устройства, а погрешность измерения уровня глюкозы в крови взята из литературы.In FIG. Figure 4 shows a typical emission spectrum obtained from one of the patients with diabetes for ten years. The graph clearly shows the characteristic spectral lines of acetone similar to those shown in FIG. 2. The line at 337 nm corresponds to molecular gas NO, which is a biomarker of diseases such as cancer of the digestive system, asthma, gastritis, etc. In the region from 350 to 430 nm there are wide spectral bands corresponding to methane, which is an indicator of gastrointestinal upset intestinal tract of the patient. Note the complete absence of water lines, despite the fact that water vapor in respiration is a significant fraction. The emission spectrum also has a number of unidentified molecular bands and lines that require further investigation. The measured dependence of the concentration of acetone in the exhaled breath of the patient on the concentration of glucose in the blood is presented in FIG. 5. Each point of this relationship represents a separate measurement for one patient. The leftmost point is the result of measuring a conditionally healthy person. The error in measuring the concentration of acetone is quite small and represents a statistical error of the device, and the error in measuring the level of glucose in the blood is taken from the literature.
Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что в качестве несущего газа используется сам выдыхаемый воздух пациента пониженного давления. Это позволило значительно упростить и удешевить устройство и избежать необходимости применения тяжелых, опасных и дорогих баллонов высокого давления. Пониженное давление воздуха в разряде позволило резко уменьшить уровень шумов разряда и тем самым существенно повысить чувствительность к определению сверхмалых концентраций ацетона. Применение нормировки сигнала с использованием параметров разряда позволяет резко увеличить точность измерения содержание ацетона в дыхании больного, что видно из приведенных результатов.An advantage of the invention is that the exhaled patient’s reduced pressure air is used as the carrier gas. This made it possible to significantly simplify and reduce the cost of the device and to avoid the need for heavy, dangerous and expensive high-pressure cylinders. The reduced air pressure in the discharge made it possible to sharply reduce the level of discharge noise and thereby significantly increase the sensitivity to the determination of ultra-low concentrations of acetone. The use of signal normalization using discharge parameters makes it possible to sharply increase the accuracy of measuring the acetone content in the patient’s breathing, which can be seen from the above results.
Так же представленное техническое решение может быть использовано для детектирования и мониторинга различных малых примесей в окружающем воздухе. К ним относятся примеси паров взрывчатых и наркотических веществ, ртути, диоксина, примеси метана, ксенона, окиси азота и прочее.Also, the presented technical solution can be used for the detection and monitoring of various small impurities in ambient air. These include impurities of explosive and narcotic substances, mercury, dioxin, impurities of methane, xenon, nitric oxide and others.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128845/28A RU2597943C1 (en) | 2015-07-15 | 2015-07-15 | Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128845/28A RU2597943C1 (en) | 2015-07-15 | 2015-07-15 | Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2597943C1 true RU2597943C1 (en) | 2016-09-20 |
Family
ID=56937975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015128845/28A RU2597943C1 (en) | 2015-07-15 | 2015-07-15 | Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2597943C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697809C1 (en) * | 2018-07-26 | 2019-08-20 | Максим Андреевич Дведенидов | Method of controlling concentration of acetone in air exhaled by a human, and a device for realizing it |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4587427A (en) * | 1983-07-28 | 1986-05-06 | Cmi, Inc. | Breath analyzer |
| US20040137637A1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-07-15 | Chuji Wang | Breath gas analyzer for diagnosing diabetes and method of use thereof |
| US7361514B2 (en) * | 2000-11-30 | 2008-04-22 | Uutech Limited | System and method for gas discharge spectroscopy |
| US7417730B2 (en) * | 2006-03-31 | 2008-08-26 | Los Alamos National Security, Llc | Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics |
| RU2368904C2 (en) * | 2006-09-28 | 2009-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ОАО "ПО ЭХЗ") | Diabetes mellitus express-diagnostic method |
| WO2011117572A1 (en) * | 2010-03-25 | 2011-09-29 | Isis Innovation Limited | Analysis of breath |
| RU2486522C2 (en) * | 2011-08-09 | 2013-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации (Минобрнауки России) | Instant diagnostic technique for bronchopulmonary diseases |
| CA2873417A1 (en) * | 2012-05-15 | 2013-11-21 | Invoy Technologies, Llc | Method and apparatus for analyzing acetone in breath |
-
2015
- 2015-07-15 RU RU2015128845/28A patent/RU2597943C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4587427A (en) * | 1983-07-28 | 1986-05-06 | Cmi, Inc. | Breath analyzer |
| US7361514B2 (en) * | 2000-11-30 | 2008-04-22 | Uutech Limited | System and method for gas discharge spectroscopy |
| US20040137637A1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-07-15 | Chuji Wang | Breath gas analyzer for diagnosing diabetes and method of use thereof |
| US7417730B2 (en) * | 2006-03-31 | 2008-08-26 | Los Alamos National Security, Llc | Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics |
| RU2368904C2 (en) * | 2006-09-28 | 2009-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ОАО "ПО ЭХЗ") | Diabetes mellitus express-diagnostic method |
| WO2011117572A1 (en) * | 2010-03-25 | 2011-09-29 | Isis Innovation Limited | Analysis of breath |
| RU2486522C2 (en) * | 2011-08-09 | 2013-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации (Минобрнауки России) | Instant diagnostic technique for bronchopulmonary diseases |
| CA2873417A1 (en) * | 2012-05-15 | 2013-11-21 | Invoy Technologies, Llc | Method and apparatus for analyzing acetone in breath |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697809C1 (en) * | 2018-07-26 | 2019-08-20 | Максим Андреевич Дведенидов | Method of controlling concentration of acetone in air exhaled by a human, and a device for realizing it |
| WO2020022930A1 (en) * | 2018-07-26 | 2020-01-30 | Максим Андреевич ДВЕДЕНИДОВ | Method for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person and device for the implementation thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7192782B2 (en) | Method and apparatus for determining marker gas concentration in exhaled breath using an internal calibrating gas | |
| Lewicki et al. | Real time ammonia detection in exhaled human breath using a distributed feedback quantum cascade laser based sensor | |
| US7300408B2 (en) | Spectroscopic breath analysis | |
| Wang et al. | An acetone breath analyzer using cavity ringdown spectroscopy: an initial test with human subjects under various situations | |
| US20070081162A1 (en) | Method And Apparatus For Determining Marker Gas Concentration Using An Internal Calibrating Gas | |
| US20150289782A1 (en) | Portable breath volatile organic compounds analyser and corresponding unit | |
| WO2016027474A1 (en) | Measurement device and method of measuring a concentration of a component of a gas mixture | |
| US20220287588A1 (en) | Universal portable breath content alayzer | |
| US11221295B2 (en) | Gas phase fluorescence analysis | |
| JP3181863U (en) | Raman analyzer | |
| Mürtz | Breath diagnostics using laser spectroscopy | |
| Zhou et al. | Pressure optimization of an EC-QCL based cavity ring-down spectroscopy instrument for exhaled NO detection | |
| Chow et al. | A comparison of spectroscopic techniques for human breath analysis | |
| WO2013006528A1 (en) | Stable isotopic biomarker measurement for the detection of cancer and the determination of efficacy of treatment in diagnosed cancer patients | |
| Guimarães et al. | Near Infrared Raman Spectroscopy (NIRS): A technique for doping control | |
| Li et al. | WMS based dual-range real-time trace sensor for ethane detection in exhaled breath | |
| WO2014132077A1 (en) | Apparatus and method of breath volatile organic compound analysis and calibration method | |
| CN112255192B (en) | Multi-component trace breathing gas cooperative measurement method based on spectral inversion | |
| RU2597943C1 (en) | Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation | |
| RU2697809C1 (en) | Method of controlling concentration of acetone in air exhaled by a human, and a device for realizing it | |
| Mürtz et al. | Online monitoring of exhaled breath using mid-infrared laser spectroscopy | |
| Namjou et al. | Breath-analysis using mid-infrared tunable laser spectroscopy | |
| JPH10142153A (en) | Method and instrument for optical measurement of component in exhalation | |
| Shcherbakova et al. | Experimental Setup Based on a Quantum Cascade Laser Tunable in the Wavelength Range of 5.3–12.8 µm for Spectral Analysis of Human Exhaled Air | |
| Mitscherling et al. | Non-invasive and isotope-selective laser-induced fluorescence spectroscopy of nitric oxide in exhaled air |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180711 Effective date: 20180711 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210831 Effective date: 20210831 |