EA022246B1 - Измерительное устройство и метод исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительному устройству и методу исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии. Измерительное устройство имеет: измерительную камеру (2) с исследуемым пробным газом, лазер (1), который размещен относительно измерительной камеры (2) таким образом, что излучаемый лазером свет проходит через измерительную камеру (2), детектирующее устройство (61), которое фиксирует излучаемый лазером (1) и проходящий через измерительную камеру (2) свет, и блок обработки результатов (8), который анализирует сформированные детектирующим устройством (61) сигналы для определения поглощения света в измерительной камере (2). Детектирующее устройство (61) способно производить отдельное измерение в пределах 10с или быстрее, а также пригодно для проведения измерений на газовой дыхательной смеси человека или животного в качестве пробного газа, причем газовая дыхательная смесь замещается в измерительной камере (2) исключительно путем дыхания человека или животного.

Description

Изобретение относится к измерительному устройству для исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения, а также к соответствующему методу.

Уже много столетий известно, что запах дыхания может являться индикатором возможного заболевания - самым известным примером служит сладковато-фруктовый, вызываемый ацетоном запах при сахарном диабете первого типа. Даже дыхание здоровых людей содержит многие сотни летучих химических соединений, так называемых летучих органических соединений (ЛОС), в малой концентрации (в диапазоне от ррт до ρρΐ). Некоторые из них играют важную роль в физиологических или патофизиологических процессах. В случае заболевания возрастает концентрация определенных следовых газов в дыхании. При некоторых заболеваниях удается также обнаружить газы, которые не встречаются в здоровом организме. Таким образом, анализ газовой дыхательной смеси предоставляет большой потенциал для клинической диагностики и терапевтического наблюдения. Правда, концентрация следовых газов нередко столь мала, что не может быть достаточно точно измерена при помощи имеющихся в распоряжении газоаналитических методов.

Существуют высокочувствительные методы индикации, как например, масс-спектроскопия или инфракрасная спектроскопия на основе преобразования Фурье в многопроходных индикаторных клетках. Правда, такие индикаторные приборы не могут быть использованы непосредственно на пациенте и, таким образом, не имеют значения для клинической практики. Это связано также и с тем, что обработка данных продолжается несколько дней и в результате передачи проб возникают непредсказуемые источники ошибок. Мобильные структуры в области инфракрасной абсорбционной спектроскопии с лазерами на полупроводниковых диодах (например, лазерами на основе солей свинца) в качестве источников света также используются уже в течение многих десятилетий, однако не достигли до сих пор необходимой стабильности чувствительной индикации газов на длительный период времени, так что и здесь использование ограничивается фундаментальными медицинскими исследованиями.

Альтернативной методикой является так называемый метод не дисперсионной инфракрасной спектроскопии. Он выявляет колебания плотности в пробном газе, которые вызываются абсорбцией инфракрасного света. Этот метод индикации чувствительный и позволяет проводить замер каждые две с половиной минуты. Правда, результаты измерений искажаются другими газами, например, кислородом, так что этот метод может лишь ограниченно применяться в клинической практике.

Другой метод под названием ВгеаЫЮ® используется компанией θτίάίοη ЗуЧепъ ЫД. Здесь в качестве источника света применяется лампа давления углекислого газа. Правда, чувствительность и быстрота этого метода сильно ограничиваются возникающими колебаниями ширины спектральных линий (в лампе и в пробном газе), незначительной интенсивностью света и спектральными флуктуациями, и в результате этого за короткое время не даются высокочувствительные результаты измерений. Метод не дисперсионной инфракрасной спектроскопии и метод компании Θτίάίοη ЗуЧепъ ЫД. подходят, например, для обнаружения в желудке пациента бактерии НеПсоЬасЮг ру1огт Присутствие бактерии качественно подтверждается повышенным содержанием ¹³СО₂ в выдыхаемом воздухе после введения меченого ¹³С диагностического средства.

Качественные методы тестирования теряют смысл, если тест оказывается в том же ценовом сегменте, что и лечение. Дальнейшая стратегия обеспечения простого и быстрого обнаружения летучих химических соединений состоит в использовании поверхностно-чувствительных микрочипов, которые отбирают из воздуха дыхания специальные следовые газы и связывают их. Таким образом, возможно чувствительное обнаружение летучих химических соединений и на основе качественных показателей может быть решено, болен пациент или нет.

Простое подтверждение заболевания показательно, однако оно не дает информации о подходящем лечении. Поэтому будущее исследования газовой дыхательной смеси принадлежит количественному определению степени заболевания, которое оказывает врачу непосредственную помощь в принятии решения о лечении. Если такие тесты смогут проводиться просто и быстро и результаты их незамедлительно предоставляться врачу в понятной форме, тестирование может получить признание в клинической практике.

К количественным тестам газовой дыхательной смеси предъявляются высокие требования. Для однозначной идентификации следовых газов требуется высокая избирательность и чувствительность индикации, поскольку концентрация по большей части составляет от ррт до ррЬ. Должно быть обеспечено точное определение количества следовых газов. Кроме того, измерения должны происходить онлайн и в режиме реального времени во избежание трудоемкого и чреватого ошибками накопления проб (например, в пакетах или в потоке страниц). Для практичного и экономичного использования необходимы удобство управления, компактность, надежность, невысокие затраты на обслуживание и/или благоприятное соотношение затрат и результата. Этим высоким и разнообразным требованиям в настоящий момент не удовлетворяет ни один из газоаналитических методов.

Выдыхаемый людьми воздух содержит объемную долю диоксида углерода от 2 до 4% и выдыхается за 10-20 выдохов в минуту, маленькими детьми и новорожденными даже за 25-50 выдохов в минуту. Давление дыхания человека составляет примерно от 50 мбар до максимум 160 мбар, при объеме около

- 1 022246

0,5 л. Только около 70% вдыхаемого воздуха попадают в легкие, так что также лишь примерно в 70% объема газа содержится значительно увеличенная доля диоксида углерода. В остальном объеме газа объеме мертвого пространства концентрация диоксида углерода может снижаться до концентрации в окружающем воздухе, составляющей около 0,04%. Это приводит к тому, что концентрация диоксида углерода в выдыхаемом воздухе может колебаться на два порядка от 0,04 до 4%. Концентрации диоксида углерода выше 5% являются токсичными и могут вызывать, например, головную боль и судороги.

Количество вырабатываемого диоксида углерода зависит от индивидуальных особенностей обмена веществ каждого отдельного человека. Для определения выработки человеком диоксида углерода применяются различные приближенные методы. В них включаются, например, такие величины, как вес и поверхность тела. Поверхность тела в большинстве случаев опять же оценивается по весу и росту, так что в медицине нередко принимаются в расчет лишь средне точные величины, что сильно ограничивает или даже исключает возможность количественной оценки и обобщения результатов.

Для непосредственного количественного определения процессов обмена веществ или метаболизаций необходимо прослеживать динамику процесса с разрешением по времени, лучше всего в режиме реального времени. Если динамика метаболизаций проявляет кинетику, которая может быть смоделирована дифференциальным уравнением первого порядка (динамика первого порядка), то путем решения дифференциального уравнения или путем настройки показательной функции: у(1)=А*ехр(4Лаи) могут быть определены максимальная кинетика А и постоянная времени 1аи. На основе величин А и 1аи могут быть затем определены количественные метаболические параметры. Инициирование динамики метаболизаций достигается в лучшем случае путем короткого по времени возбуждения, например, внутривенного введения диагностического средства или высвобождения диагностического средства путем воздействия светом/лучами.

Если высвобождение или старт динамики продолжается дольше, чем возрастание 1аи или одно дыхание, то динамика высвобождения должна быть определена отдельно и развернута динамикой метаболизации. Примером быстрого старта метаболизации является внутривенное введение диагностического средства 13С-метацетина в болюсе. Током крови (ок 60 ударов сердца в минуту) оно распределяется по телу и примерно через секунду попадает в печень, где метаболизируется в парацетамол и 13СО2. Старт динамики происходит значительно быстрее, чем ритм дыхания, и приводит таким образом к динамике первого порядка, которая может быть непосредственно проанализирована. Однако если 13С-метацетин вводится перорально, то адсорбция в желудке приводит к складыванию динамики с динамикой желудочной адсорбции, что существенно искажает динамику.

Для отслеживания динамики метаболизации в режиме реального времени следовало бы измерять каждый выдох с очень высокой чувствительностью. Это означает, что выдыхаемый воздух в измерительной камере должен быстро замещаться и что менее чем за две секунды должен происходить полный анализ выдоха.

Метод анализа, дающий возможность количественного определения функции печени, описан в патенте \νϋ 2007/000145 А2. Этот метод основывается на введении в печень метаболизируемого субстрата и определении максимальной скорости превращения субстрата, которая позволяет сделать выводы о функциональном состоянии печени пациента.

Из патента νθ 2007/107366 А1 известно соответствующее родовому понятию устройство для спектроскопического анализа газа, в котором через измерительную камеру может непрерывно протекать пробный газ.

В основе представленного изобретения лежит задача усовершенствования известного из патента νθ 2007/107366 А1 измерительного устройства и применяемого в нем метода измерения с целью обеспечения возможности проведения измерений в режиме реального времени.

Данная задача решается согласно изобретению измерительным устройством с признаками п.1 и методом с признаками п.14 формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения приведены в подпунктах формулы изобретения.

Так, соответствующее изобретению решение предусматривает использование лазера с узкополосным излучением. Лазером с узкополосным излучением считается лазер, ширина спектральной линии которого подобрана таким образом, чтобы быть меньше или равняться ширине измеряемой линии спектра поглощения пробного газа. Далее предусмотрено, чтобы частота лазера периодически изменялась в пределах указанной области спектра, причем частота лазера и ее изменение подобраны таким образом, чтобы по крайней мере одна измеряемая линия спектра поглощения пробного газа находилась в указанной области спектра. При этом периодическое изменение частоты лазера (называемое также перенастраиваемостью) сопровождает указанную область спектра, которая замеряется во время каждого периода такого изменения частоты. В этой области спектра находится по крайней мере одна измеряемая линия спектра поглощения.

Далее, согласно изобретению предусмотрено, что детектирующее устройство выполнено и настроено для фиксирования излучаемого лазером и проходящего через измерительную камеру света с таким разрешением по времени, чтобы абсорбция света могла быть учтена в пределах указанной области спектра с разрешением по частоте. При этом детектирующее устройство производит отдельное измерение

- 2 022246 методом поглощения в течение 10~⁵ с или быстрее, в особенности в течение 10~⁶ с или быстрее. Благодаря быстрому измерению область спектра, которая замеряется путем изменения частоты лазера, может быть охвачена разрешением по частоте. При этом замеренная область спектра измеряется посредством множества точек замера, которые соответствуют измерению методом поглощения, например, посредством 20, 100, 500 или 1000 точек замера.

Высокое разрешение по времени измерений методом поглощения позволяет с разрешением по частоте с высокой плотностью точек единичных измерений внутри области спектра охватить область спектра, которая определяется изменением частоты лазера и в которой находится по крайней мере одна измеряемая линия спектра поглощения. Это связано со многими преимуществами.

Так, высокое разрешение по времени и достигаемая благодаря этому высокая плотность точек измеряемых величин области спектра, обмеряемой во время изменения частоты, сопровождается высокой точностью измерения. Она повышается и далее, когда происходит усреднение по нескольким охваченным один за другим спектрам, как предусмотрено в одном из вариантов осуществления изобретения.

Высокое разрешение по времени, высокое спектральное разрешение (достигаемое благодаря высокой плотности точек единичных измерений) и высокая чувствительность позволяют измерять линии спектра поглощения с чувствительностью в пределах ррЬ. Такая чувствительность очень важна, например, для обеспечения использования измерительного устройства с целью количественного выявления метаболизированных субстратов.

Кроме того, измерительное устройство в особенности пригодно и может быть настроено на измерение в качестве пробного газа газовой дыхательной смеси человека или животного, причем газовая дыхательная смесь замещается в измерительной камере только посредством дыхания человека или животного и противодействие, оказываемое измерительным устройством составляет менее 60 мбар, в особенности менее 50 мбар и в особых случаях менее 40 мбар. Это означает, что для продвижения пробного газа через измерительное устройство не требуются насосы или другие приспособления. Иными словами, создаваемое измерительным устройством противодавление составляет менее 60 мбар, в особенности менее 50 мбар и в особых случаях менее 40 мбар. Столь низкое противодавление может быть преодолено без вспомогательных технических средств соответствующим по высоте давлением (которое создается, например, дыханием человека или животного).

При проведении измерений в потоке пробного газа через измерительную камеру могут быть, далее, в режиме реального времени с высоким разрешением охвачены временные изменения в составе пробного газа. Например, можно в режиме реального времени определить изменения изотопных составов газовой дыхательной смеси, и это при концентрации диоксида углерода в газовой дыхательной смеси в диапазоне от 0,08 до 8%.

В одном из вариантов осуществления изобретения предусмотрен выбор такой частоты лазера и ее изменения, чтобы в определенной области спектра находились, по крайней мере, две линии спектра поглощения пробного газа. Это позволяет, например, на основе поглощения света, произошедшего у двух линий спектра поглощения, определить соотношение двух изотопов в пробном газе. Изотопы представляют собой, например, ¹³СО2 и ¹²СО2. Изотопами при этом называются не только атомы с одинаковым порядковым номером и различным массовым числом, но также и молекулы, содержащие такие различные атомы. На основе двух и более линий спектра поглощения вместо соотношения двух изотопов может быть определено соотношение двух элементов (с различными порядковыми номерами) или двух молекул.

Определение соотношения двух изотопов, элементов или молекул позволяет кроме того определять абсолютные значения соответствующих изотопов, элементов и молекул также и при непостоянных концентрациях. Например, при определении содержания СО2 в выдыхаемом воздухе при дыхании проявляются колебания концентрации СО₂ от 0,04 до 4%. Степень колебания может быть выявлена путем определения абсолютного содержания ¹²СО2 (например, в одном выдохе). Так может быть определено и абсолютное содержание изотопа ¹³СО2, который находится в стабильном естественном соотношении с ¹²СО2. Дополнительно могут быть учтены изменения на основе дополнительной метаболизации ¹³СО2 путем анализа изменения соотношения обоих изотопов.

Высокое разрешение и плотность расположения точек соответствующего изобретению измерительного устройства позволяют определять соотношение двух изотопов, элементов или молекул в режиме реального времени. Это представляет интерес особенно в том случае, если соотношение изменяется со временем. В одном из вариантов осуществления изобретения на этот случай блок обработки результатов оснащен индикаторной панелью, которая показывает изменение этого соотношения с течением времени.

Соответствующее изобретению измерительное устройство может быть выполнено без зеркала, причем излучаемый лазером свет проходит через измерительную камеру ровно один раз. Таким образом обеспечивается простая и функционирующая почти без помех оптическая конструкция. В отличие от измерительной камеры патента \УО 2007/107366 А1 в данной измерительной камере нет зеркал, от которых многократно отражался бы лазерный свет. В измерительной камере имеется лишь входное отверстие, через которое лазерный свет входит в измерительную камеру, и выходное отверстие, через которое проходящий свет выходит из измерительной камеры.

- 3 022246

В дальнейшем варианте осуществления изобретения измерительное устройство имеет средства для поддержания равномерной температуры (в особенности нагревающие средства), которые поддерживают на постоянном уровне, в особенности нагревают, температуру измерительной камеры и имеющихся отверстий, например, на уровне выше 35°С. Это позволяет предотвратить осаждение возможно содержащегося в пробном газе водяного пара на стенках измерительной камеры. Возможно также охлаждение измерительной камеры.

В дальнейшем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что пробный газ постоянно или периодически проходит через измерительную камеру. Для этого в одном из вариантов выполнения измерительной камеры она имеет открытую структуру без вентилей или воздушных клапанов, которые могли бы препятствовать течению пробного газа в измерительную камеру и из нее. Кроме того, в одном из вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что измерительное устройство не отрезке между входом газа в измерительное устройство и выходом газа из измерительного устройства имеет в основном постоянное поперечное сечение для проходящего газа. Тем самым обеспечивается ламинарный поток во всех местах измерительного устройства и предотвращается скопление газа в определенных местах и невытеснение его новым пробным газом.

В одном из вариантов измерительное устройство, по крайней мере, на отдельных участках, в особенности внутри всей измерительной камеры, имеет постоянное поперечное сечение, так что, по крайней мере, на отдельных участках измерительного устройства обеспечивается ламинарный поток. Если, например вся измерительная камера имеет постоянное поперечное сечение, то внутри всей работающей измерительной камеры обеспечивается в основном ламинарный поток пробного газа. Это позволяет особенно предпочтительным образом производить очень точные измерения.

В дальнейшем варианте осуществления изобретения подача пробного газа в измерительную камеру и вывод пробного газа из измерительной камеры происходят в направлении, перпендикулярном направлению, в котором свет проходит через измерительную камеру. Этим обеспечивается, что подача и вывод газа, а также соответствующие подключения не создают помех лазерному свету. При этом подача и вывод газа предпочтительно располагаются со смещением, так что пробный газ частично проходит через измерительную камеру в направлении лазерного света.

Измерительное устройство выполнено преимущественно таким образом, что световая фиксация с разрешением по времени посредством детектирующего устройства происходит во время прохождения пробного газа через измерительную камеру. Таким образом, инфракрасные измерения методом поглощения производятся на каждой фазе газового потока, в особенности также, когда пробный газ проходит через измерительную камеру. Измерения методом поглощения происходят в реальном потоке (то есть в технике измерения количества протекающего вещества).

В дальнейшем варианте осуществления изобретения измерительное устройство содержит в себе спирометр, который фиксирует объемный поток пробного газа, проходящего через измерительную камеру. При этом может быть предусмотрено, чтобы пробный газ проходил через спирометр после обтекания измерительной камеры, и в этом случае он выходит из измерительного устройства через спирометр. Однако спирометр может быть размещен в принципе в любом месте измерительного устройства между входом газа в измерительное устройство и выходом газа из измерительного устройства.

Измерение объемного потока позволяет определять абсолютные количества определенных молекул в определенном количестве газа, которое, например, соответствует количеству газа в выдохе человека или животного. В особенности же непосредственно из абсорбции может быть определена концентрация, поскольку известен коэффициент экстинкции для любой линии спектра поглощения, равно как и длина измерительной камеры. Поскольку абсорбция, а при помощи спирометра и объемный поток может отслеживаться в режиме реального времени с разрешением по времени, общее количество может быть определено в режиме реального времени путем интеграции продукта объема и концентрации в течение времени.

Далее в одном из вариантов осуществления изобретения предусмотрена предкамера, через которую пробный газ входит в измерительную камеру. При этом предкамера предпочтительно выполнена для того, чтобы нагревать или охлаждать пробный газ до определенной температуры и тем самым уменьшать содержание водяного пара в пробном газе.

В дальнейшем варианте осуществления изобретения предкамера альтернативно или дополнительно выполнена предпочтительно для того, чтобы снижать содержание водяного пара в пробном газе по крайней мере до 60% относительной влажности воздуха. Снижение содержания водяного пара происходит преимущественно посредством полупроницаемых мембран, которые допускают обмен только водяного пара (но не других субстанций). Воздух снаружи мембран должен иметь относительную влажность менее 50% от относительной влажности воздуха. Если содержание водяного пара снаружи предкамеры меньше, чем внутри, то содержание водяного пара в проходящем через предкамеру пробном газе уменьшается. Общая площадь мембран определяет, в каком количестве может происходить газообмен.

В качестве примера следует отметить применение измерительного устройства для анализа дыхания, при котором исследуется единичный выдох (в особенности полный выдох). Влажность воздуха в одном выдохе нередко составляет более 90% от относительной влажности воздуха, которая посредством полу- 4 022246 проницаемой мембраны в предкамере уменьшается до уровня ниже 50% от относительной влажности воздуха. Активная поверхность полупроницаемой мембраны при этом может составлять, например, более 150 см², в особенности более 200 см² и в особых случаях более 250 см².

В дальнейшем варианте осуществления изобретения предкамера альтернативно или дополнительно выполнена предпочтительно для гомогенизации пробного газа. Г омогенизация отдельного пробного газа происходит через различные (минимум два) ответвления разной длины и диаметра, через которые проходят части пробного газа. После зоны ответвлений части пробного газа вновь соединяются. При этом важно, чтобы общее поперечное сечение всех ответвлений (то есть сумма поперечных сечений отдельных ответвлений) имело большее или такое же по размеру сечение потока, как и остальная часть измерительного устройства, чтобы ответвлениями не создавалось повышенное (или, если и создавалось, то лишь незначительно повышенное) напорное сопротивление потоку пробного газа в измерительном устройстве. Длины различных ответвлений, через которые проходит пробный газ, подобраны таким образом, чтобы оптимально смешивались объемы пробного газа определенной величины объема. Смешивание происходит чисто пассивно и лишь использует разность давления с выпуском измерительного устройства, что заставляет пробный газ течь.

В качестве примера следует указать на применение измерительного устройства для анализа дыхания, в котором гомогенизируется отдельный (в особенности полный) выдох. Выдох создает разность давлений, которая заставляет течь пробный газ. Средний объем одного выдоха составляет около 500 мл. Уже при ответвлениях с тремя различными размерами диаметра с соотношением 43:42:41=3:2:1 ламинарный объемный поток имеет различные скорости ν3<ν2<ν1. Если сохранять неизменным общее сечение отдельных диаметров 41, 42 и 43, выбирая несколько ответвлений с размерами диаметра 41 и 42, то через все ответвления с одинаковым диаметром будет проходить примерно одинаковый объем (без учета трения). Благодаря различным скоростям потока пробного газа можно, подбирая длину ответвления, хорошо перемешивать желаемый объем (например, 500 мл). Число ответвлений составляет минимум два. Чем больше ответвлений используется, тем более однородным может быть смешивание пробного газа. Хорошее смешивание позволяет произвести точный и быстрый замер составляющих пробного газа. Это важно, например, для высокоточных измерений посредством проточной измерительной техники.

Диаметры отдельных ответвлений подобраны преимущественно таким образом, что второе ответвление имеет диаметр, превышающий величину диаметра первого ответвления минимум на 50%, в особенности минимум на 60%, в особенности минимум на 70%, в особенности минимум на 80%, в особенности минимум на 90% и в особых случаях минимум на 100%.

Лазер с узкополосным излучением имеет в одном из вариантов осуществления изобретения ширину спектральной линии менее 0,2 см^-1, в особенности менее 0,05 см^-1. При этом, чем меньше ширина спектральной линии, тем точнее может быть измерена определенная область спектра. Лазер в одном из примеров осуществления изобретения является инфракрасным квантово-каскадным лазером, излучающим свет, например, в диапазоне частот от 2200 до 2400 см^-1, в особенности в диапазоне от 2295 до 2305 см^-1.

Для изменения частоты лазера предусмотрены средства настройки лазера, которые в одном из вариантов осуществления изобретения прилагают к лазерной головке периодически модулируемое частотой модуляции напряжение, причем прилагаемое напряжение сопровождается кратковременным повышением температуры и, соответственно, смещением частоты. Таким образом, соответствующее модулирование напряжения позволяет добиться повторного повышения температуры и понижения температуры лазера. При этом способность лазера перекрывать диапазон частот предпочтительно находится в пределах от 0,5 до 60 см^-1, в особенности в пределах 1, 2, 6 или 20 см^-1. Изменение частоты определяет область измеряемого спектра. Частота модуляции определяет, какой частотой измеряется определенная область спектра. В одном из вариантов осуществления изобретения частота модуляции находится в диапазоне от 100 до 500 Гц, в особенности от 10 до 100 Гц, в особенности около 50 Гц. Приложенное к лазерной головке напряжение в одном из вариантов осуществления изобретения является линейным напряжением в трёхфазной системе, так что определенный частотный спектр будет проходить в линейном направлении сначала вверх, а затем снова вниз. Альтернативно может быть применено, например, пилообразное напряжение.

Как уже было сказано, соответствующее изобретению измерительное устройство имеет высокое разрешение по времени отдельных измерений, которое коррелирует с высокой плотностью расположения точек замеренного спектра. При этом детектирующее устройство выполнено и настроено таким образом, чтобы замерять в расчете на область спектра, в которой изменяется лазерная частота, то есть во время периода моделирующей частоты, более 20 точек измерения, предпочтительно более 100 точек измерения, особенно предпочтительно более 500 точек измерения.

Сигнал, испускаемый лазером, предпочтительно является импульсным и в одном из вариантов осуществления изобретения имеет длительность импульса менее 200 нс, в особенности менее 100 нс. При этом детектирующее устройство в одном из вариантов осуществления изобретения выполнено и настроено таким образом, чтобы к каждому излученному световому импульсу лазера проводить измерение методом поглощения. Таким образом, каждый лазерный импульс приводит к замеренной методом поглощения величине.

- 5 022246

Далее может быть предусмотрен отбор детектирующего устройства с частотой, вдвое превышающей частоту, с которой лазер излучает световые импульсы. Следовательно, отбор производится с двойной частотой повторения лазера. Это означает, что лишь каждый второй отбор относится к замеренному световому импульсу. Промежуточные отборы не коррелируют с замеренным сигналом и лишь воспроизводят фоновый сигнал. Фоновый сигнал предпочтительно непосредственно удаляется. Это позволяет еще больше повысить точность измерения.

Далее, для повышения точности измерения в одном из вариантов изобретения предусмотрено, что излучаемый лазером свет разделяется на два луча, причем один луч проходит через измерительную камеру, а другой луч фиксируется контрольным детектирующим устройством. Блок оценки результатов обрабатывает сигналы контрольного детектирующего устройства для нормировки интенсивности сигнала лазера. Благодаря этому могут быть вычислены колебания интенсивности лазера, что также повышает точность произведенных измерений.

Соответствующее изобретению измерительное устройство в одном из вариантов осуществления приспособлено для исследования в качестве пробного газа газовой дыхательной смеси человека или животного. В особенности измерительное устройство приспособлено для определения с разрешением по времени соотношения концентрации изотопов ¹³СО2/¹²СО2 в газовой дыхательной смеси человека или животного. Далее количественное измерение параметра обмена веществ в газовой дыхательной смеси может происходить в режиме реального времени. Например, измерительное устройство приспособлено для определения общего количества ¹³СО₂ в каждом выдохе. При измерении нескольких последовательных выдохов это может происходить с точностью около 10 мкг. Далее измерительное устройство приспособлено для определения в режиме реального времени концентрации диоксида углерода в газовой дыхательной смеси в диапазоне от 0,08 до 8% в потоке.

Дальнейшее использование позволяет при помощи соответствующего изобретению измерительного устройства определить ширину линии спектра поглощения пробного газа в зависимости от концентрации газа. Так, благодаря высокому разрешению по времени, высокому спектральному разрешению и высокой чувствительности проведенных измерений методом поглощения может быть определена ширина рассмотренной линии спектра поглощения в зависимости от концентрации газа. Для этого ширина линий измеряется при определенных, предварительно установленных концентрациях газа.

Кроме того, изобретение относится к методу исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии. Метод включает в себя следующие шаги:

просвечивание измерительной камеры светом, излучаемым узкополосным лазером, ширина спектральной линии которого меньше или равна ширине измеряемой линии инфракрасного спектра поглощения находящегося в измерительной камере пробного газа, причем частота лазера периодически изменяется в пределах определенной области спектра и частота лазера и ее изменение выбираются таким образом, чтобы по крайней мере одна измеряемая линия инфракрасного спектра поглощения пробного газа находилась в определенной области спектра, восприятие с разрешением по времени излучаемого лазером и проходящего через измерительную камеру света, причем отдельное измерение методом поглощения производится в течение 10^-5 с или быстрее, и анализ полученных сигналов в отношении произошедшего в измерительной камере поглощения света, причем поглощение света определяется в пределах определенной области спектра с разрешением по частоте.

Далее изобретение будет детально рассмотрено на основе различных примеров осуществления со ссылкой на фигуры чертежей, которые показывают следующее:

фиг. 1 - пример выполнения измерительного устройства для исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии;

фиг. 2 - измерение линии спектра поглощения ¹³СО₂ при 2297,19 см^-1 с помощью измерительного устройства по фиг. 1, причем поглощение изображено в зависимости от частоты в волновых числах в пределах замеренной области спектра;

фиг. 3 - одновременное измерение линий спектра поглощения ¹²СО2 и ¹³СО2 в ходе двух следующих друг за другом выдохов, причем поглощение изображено в волновых числах, во-первых, относительно времени и, во-вторых, относительно частоты;

фиг. 4 - соотношение концентрации ¹³СО2 и ¹²СО2 в диапазоне измерения от 0 ЭОВ до 300 ЭОВ. причем абсцисса изображает установленное соотношение концентраций в испытуемых газах, а ордината - значения, измеренные посредством измерительного устройства по фиг. 1;

фиг. 5 - увеличение ¹³СО₂ у испытуемого после приема меченого 13С-метацетина в зависимости от времени;

фиг. 6 - ширина линий спектра поглощения СО₂ в зависимости от концентрации СО₂ в пробном газе, при неизменном давлении; и фиг. 7 - схематичное изображение хода измерения для определения функционального состояния печени, с применением измерительного устройства по фиг. 1.

Фиг. 1 показывает измерительное устройство 100 для исследования пробного газа при помощи ин- 6 022246 фракрасной абсорбционной спектроскопии. Устройство 100 включает в себя лазер 1, измерительную камеру 2, два детектора 61, 62, предкамеру 4, спирометр 5, усилитель заряда 7 и блок обработки результатов 8.

Лазер 1 является инфракрасным квантово-каскадным лазером (ККЛ), имеющим ширину спектральной линии менее 0,2 см^-1, в особенности ширину спектральной линии, равную 0,05 см^-1. Основная частота квантово-каскадного лазера задается его температурой. Она регулируется на шкале времени примерно от 0,05 до 0,5 с при помощи лазерного блока управления 92. Лазерная частота может дополнительно периодически изменяться в пределах определенной области спектра. Для этого к квантово-каскадному лазеру 1 посредством лазерного блока управления 92 дополнительно прилагается напряжение, которое далее будет называться напряжением развертки. Напряжение развертки и корреспондирующий с ним ток развертки обеспечивают кратковременное повышение температуры во время дополнительного прохождения тока в лазере и тем самым смещают частоту. Параметры лазера установлены таким образом, что преимущественно непосредственно после окончания прохождения тока вновь выдается основная частота.

Напряжение развертки непрерывно повышается, например, при помощи линейного напряжения в трехфазной системе или пилообразного напряжения и затем вновь снижается, в результате чего происходит непрерывное изменение частоты. Таким образом, накладываясь на основную частоту, частота лазера 1 периодически изменяется. Изменение частоты коррелирует с диапазонностью лазера, составляющей минимум 0,5 см^-1. Примерами широты диапазонности являются 1, 2, 6, 20 или 60 см^-1. При этом диапазонность касается области спектра, внутри которой изменяется частота лазера. Частота модуляции, с которой периодически изменяется частота лазера, находится в диапазоне от 1 до 500 Гц. Она определяет, как часто замеряется рассмотренная область спектра. Далее в качестве примера за основу будет браться частота модуляции в 50 Гц.

Лазер 1 является импульсным лазером, который испускает световые сигналы с длительностью импульса менее 200 нс, в особенности 100 нс или даже короче. Таким образом, максимальное разрешение по времени одного измерения ограничивается 200 нс либо 100 нс. В этом отношении применение относительно короткой длительности импульсов обеспечивает спектрально узкую ширину линий, когда при длительных импульсах происходит расширение линий по причине повышения температуры, которое связано со сравнительно долгим излучением лазерного света.

Частота лазера, то есть число импульсов, излучаемых в секунду, составляет, например, от 10 до 100 кГц. Далее в качестве примера будет взята частота лазера в 50 кГц.

Лазер 1 размещен в замкнутом корпусе, который препятствует контакту с внешним миром. Для этого он размещается, например, в корпусе типа ТО3. Водяное охлаждение 96 обеспечивает охлаждение лазера 1.

Кроме того, над блоком управления лазера 92 помещается пусковой сигнал для квантовокаскадного лазера 1.

Измерительная камера 2 имеет скошенное входное отверстие 21, через которое лазерное излучение поступает в измерительную камеру 2, и расположенное перпендикулярно траектории лучей выходное отверстие 22. Испускаемое лазером 1 излучение через линзу с антибликовым покрытием 31 направляется на скошенное входное отверстие 21. У входного отверстия 21 излучение делится на два луча. Проходящий луч пересекает измерительную камеру 2, выходит из измерительной камеры 2 через выходное отверстие 22 и после фокусировки посредством еще одной линзы с антибликовым покрытием 32 падает на первый детектор 61. Отраженный луч через еще одну линзу с антибликовым покрытием 33 падает на второй детектор 61. Линзы с антибликовым покрытием 31, 32, 33, состоящие, например, из Ζηδο. сапфира, СаР₂ или ВаР₂, связаны непосредственно с лазером 1 или соответствующими детекторами 61, 62, так что измерительная конструкция состоит всего из четырех компонентов, а именно, лазера, двух детекторов и измерительной камеры. Это обеспечивает простую, надежную конструкцию.

Лазерное излучение пересекает измерительную камеру 1, выполненную без отражателей, всего один раз. Это также делает измерительную конструкцию более простой, а тем самым и менее повреждаемой.

Измерительная камера 2 включает в себя устройство для поддержания равномерной температуры 23, которое выполнено в особенности как нагревательный элемент и управляется посредством терморегулятора 27.

Устройство для поддержания равномерной температуры 23 обеспечивает постоянную температуру внутри измерительной камеры, которая, например, составляет 35° С или более. Это предотвращает оседание водяного пара, возможно содержащегося в пробном газе, который проходит через измерительную камеру 2, на стенках измерительной камеры 2. Постоянная температура может быть также ниже температуры окружающей среды.

Для подачи пробного газа в измерительную камеру 2 в ней имеется первый ввод 24. Ввод 24 размещен на корпусе измерительной камеры, состоящей, например, из алюминия. Через ввод 24 в измерительную камеру 2 из предкамеры 4 через трубку 43 или тому подобное подается пробный газ. С предкамерой 4 также соединено нагревательное устройство 41, которое посредством терморегулятора 42 производит

- 7 022246 регулировку температуры подаваемого в измерительную камеру 2 пробного газа. Благодаря этому уже в предкамере 4 пробный газ нагревается и уменьшается содержание в нем водяного пара. Вместо нагревательного устройства 41 могло быть также использовано устройство для поддержания равномерной температуры 41, которое могло бы при необходимости также и охлаждать пробный газ в предкамере 4.

Далее измерительная камера 2 имеет вывод 25 для выходящего из измерительной камеры 2 пробного газа. При этом пробный газ выходит, например, через трубку 26 или тому подобное к спирометру 5, который определяет объемный поток, проходящий через измерительную камеру 2. После прохождения через спирометр 5 пробный газ выходит из измерительного устройства в окружающую среду, причем спирометр 5 может быть размещен также и в другом месте измерительного устройства.

Пробный газ входит в измерительную камеру 2 перпендикулярно направлению, в котором лазерное излучение просвечивает измерительную камеру 2. Также перпендикулярно указанному направлению он выходит наружу из измерительной камеры 2. При этом вводы 24, 25 размещены на корпусе измерительной камеры со смещением.

Вся конструкция измерительного устройства представляет собой открытую структуру без вентилей или воздушных клапанов, которые могли бы затруднить проход пробного газа. Напротив, пробный газ может беспрепятственно проходить через описанную конструкцию. При этом предусмотрено, чтобы поперечное сечение подающей трубки 43, измерительной камеры 2, а также отводящей трубки 26 было в основном неизменным, чтобы повсеместно обеспечивался ламинарный поток и не происходило скопление газа в определенных местах. Напротив, пробный газ, который через предкамеру 4 входит в измерительную камеру 2, полностью вытесняет из измерительной конструкции находившийся там прежде пробный газ. Пробный газ входит через предкамеру 4 в измерительную камеру 2 и из измерительной камеры 2 через спирометр 5 выходит из измерительного устройства.

Измерения производятся при нормальном давлении. Измерительная камера 2, предкамера 4, подающая трубка 43, отводящая трубка 26 и спирометр 5 выполнены таким образом, что они остаются герметичными при избыточном давлении до 200 мбар по сравнению с нормальным давлением. При отсутствии разности давления между впускным отверстием для газа 24 и выпускным отверстием для газа 25 пробный газ 1 может до нескольких десятков минут оставаться в измерительной камере 2 в неизменном виде.

Детально описываемые ниже инфракрасные измерения методом поглощения производятся на каждой фазе газового потока через измерительную камеру 2, в особенности также, когда через измерительную камеру 2 проходит пробный газ. Проводимые измерения происходят в реальном потоке. По причине открытого строения измерительной камеры 2 пробный газ может быть замещен в измерительной камере сколь угодно быстро.

Как еще будет показано, описанное измерительное устройство подходит и может быть приспособлено для измерения в качестве пробного газа газовой дыхательной смеси человека или животного. В случае применения газовой дыхательной смеси в качестве пробного газа давление дыхания обеспечивает, чтобы новый выдох вытеснял старый выдох из измерительной камеры и при этом новый выдох измерялся в режиме реального времени. Таким образом, исследуемая газовая дыхательная смесь замещается в измерительной камере исключительно путем дыхания с нужной быстротой индивидуально для каждого пациента, причем измерения происходят в потоке в режиме реального времени. При этом противодействие, создаваемое измерительным устройством рассчитано таким образом, чтобы оно составляло для газового потока менее 60 мбар.

Детекторы 61, 62 представляют собой детекторы МСТ. Такие детекторы являются полупроводниковыми детекторами на ртутно(П)-кадмиево(П)-теллуриевой основе. Детекторы 61, 62 предпочтительно охлаждаются термоэлектрически, благодаря чему можно отказаться от детекторов, охлаждаемых жидким азотом, не утратив при этом высокой чувствительности. Отказ от жидкого азота для охлаждения расширяет область применения измерительного устройства, например, в клинической практике.

Оба детектора 61, 62 считываются почти одновременно. При этом каждый из детекторов 61, 62 измеряет весь спектр испускаемого лазером 1 излучения. Благодаря этому исключаются ошибки в результате изменения чувствительности от детектора к детектору.

Считанный детекторами 61, 62 сигнал сначала усиливается в линейном усилителе 7 отдельно для каждого детектора 61, 62 и интегрируется. Затем усиленный сигнал через соответствующий адаптер 91 подается в блок для обработки результатов 8, который создается, например, из обычного компьютера и подходящего программного обеспечения. При этом сигнал детектора 62 служит исключительно для нормировки интенсивности сигнала. Так, колебания интенсивности на детекторе 61, вызванные колебаниями интенсивности лазера 1, могут быть исправлены при помощи сигнала детектора 62. Это повышает точность обработки результатов.

Блок обработки результатов 8 принимает далее сигналы от спирометра 5. Также может быть предусмотрено, чтобы в блок обработки результатов 8 посредством не изображенного сенсора или терморегуляторов 42, 27 передавалась температура пробного газа и/или температура в измерительной камере 2. Блок обработки результатов 8 оснащен монитором 95 .

Блок обработки результатов 8 подает сигналы управления в блок управления лазера 92 относитель- 8 022246 но сигнала развертки, температуры лазера и частоты триггера. Монитор 95 может служить для графического изображения обработки результатов измерений, произведенных методом поглощения. Блок обработки результатов 8 может быть, кроме того, подключен к телекоммуникационной сети, например, Интернету и/или к телефонной сети.

Блок питания 95, который через трансформатор 94 подключен к вилке сетевого шнура, обеспечивает электроснабжение различных элементов измерительного устройства.

Как было отмечено, частота лазера 1 периодически изменяется. Проходимая при этом область спектра устанавливается напряжением развертки. При частоте лазера в 50 кГц и напряжении развертки в 50 Гц может быть замерена 1000 лазерных импульсов на проходимую область спектра. При этом рассмотренная область спектра замеряется по 50 раз в секунду. Измерения могут быть усреднены по определенному времени, например, по продолжительности выдоха.

Детектор 61 выполнен таким образом, что он производит отдельный замер методом поглощения в течение 110~⁵ с или быстрее, в особенности в течение 10~⁶ с или быстрее. Весь диапазон частот, то есть диапазон частот определенной напряжением развертки области спектра, может быть считан примерно за 0,002-1 с. В указанном примере осуществления изобретения плотность расположения точек на область спектра (на развертку) составляет 1000 точек. Каждый лазерный импульс детектируется и преобразуется в точку замера. Альтернативно может быть выбрана и меньшая плотность расположения точек, составляющая, например, примерно 500 точек или даже всего 20 точек на область спектра.

Высокая плотность расположения точек при проходе измеренной области спектра в сочетании с небольшой шириной спектральных линий лазера 1 позволяет выполнить спектральное разрешение менее 0,02 см^-1. Это означает, что полосы поглощения спектра замеренной пробы газа могут быть сняты и исследованы очень точно. Путем развертки или другого математического метода спектральное разрешение может быть при необходимости еще усовершенствовано.

Фиг. 2 показывает измерение линии поглощения спектра ¹³СО₂, которая находится на частоте (в волновых числах) 2.297,19 см^-1. Абсцисса указывает изменение частоты (по причине напряжения развертки) относительно основной частоты лазера 1. Абсорбция указана в ОП (оптической плотности). Плотность расположения точек достаточно высока для очень точного определения линии спектра поглощения. Может быть предусмотрена подгонка кривой. Адаптация линии спектра поглощения может происходить, например, при помощи кривой Лоренца.

Получение данных происходит соответственно при помощи аналого-цифровой карты, которая размещена в блоке обработки результатов 8 и за микросекунду принимает одну точку ввода данных или более. Разрешение при этом выше 12 бит.

При интенсивности лазера в 50 кГц, модулирующей частоте напряжения развертки в 50 Гц измеряются 50 спектров в секунду. В спектре измеряются по 1000 точек.

Интенсивность считывания детекторов 61, 62 предпочтительно подобрана таким образом, чтобы она была в два раза выше, чем интенсивность лазера. Таким образом, при интенсивности лазера в 50 кГц интенсивность считывания детекторов 61, 62 составляет 100 кГц. Это приводит к тому, что лишь при каждом втором срабатывании считывается детектированный световой сигнал. Происходящие в промежутках измерения касаются фона либо шума. Считывание детекторов 61, 62 с двойной интенсивностью лазера позволяет при каждом световом измерении сразу же удалять фон. Это происходит предпочтительно в блоке обработки результатов 8 и еще больше повышает точность измерения.

При помощи описанного измерительного устройства спектры поглощения определенной области спектра измеряются в режиме реального времени, поскольку в секунду может быть снято множество спектров. При этом может быть по выбору усреднено множество спектров, что еще больше повышает точность измерения. Таким образом становится возможным детектировать изменения состава пробного газа в режиме реального времени.

Для получения высокой точности требуется высокая стабильность частоты. Это достигается тем, что регулировка температуры блока управления лазера 92 корректируется измерительным программным обеспечением. При этом температура подстраивается постепенно, так что один и тот же максимум поглощения газа (например, ¹²СО₂) всегда находится в одном и том же положении диапазона измерений. Кроме того, предусмотрено, что подстраивается также и напряжение развертки, так что дальнейшие линии поглощения спектра находятся в желаемом месте диапазона измерений. Благодаря этому измерения становятся оптимально воспроизводимыми и могут быть усреднены. Благодаря высоким цифрам усреднения улучшается соотношение сигнал-шум. Измерительное программное обеспечение позволяет также предпочтительно автоматически определять, снижается ли мощность лазера 1 и когда лазер может выйти из строя. Соответсвующее измерительное программное обеспечение может быть частью блока обработки результатов 8 или блока управления лазера 92.

Далее может быть предусмотрено, чтобы быстрый анализ спектров происходил через интеграцию специальных диапазонов частот, которые должны подчиняться отдельным линиям спектра поглощения. Регистрация эталонных степеней газовых проб, состав которых известен, позволяет просто и точно определить смещение без настройки данных. Поскольку стабильность частоты установлена с возможностью воспроизведения, можно целенаправленно обращаться к диапазонам частот, из которых с высокой точ- 9 022246 ностью определяются концентрации. Настройка большого количества данных могла бы замедлить процесс измерения и поэтому не является настоятельно необходимой.

Благодаря высокой селективности измерения оно может происходить независимо от таких испытуемых газов, как кислород или других наркотических газообразных веществ. При помощи имеющегося высокого спектрального разрешения воздействия каждого из газов могут быть разделены.

В представленном примере осуществления изобретения измерительное устройство оптимизировано для проведения измерений функционального состояния печени после введения меченого ¹³Сметацетином. Дополнительно метаболизированный ¹³СО₂ обнаруживается в воздухе дыхания. Это подробно описано в патенте АО 2007/000145 А2, на который в этом отношении будут делаться ссылки.

Как схематично показано на фиг. 7, на обследуемого пациента одета дыхательная маска, имеющая воздухозаборный клапан и клапан для выхода воздуха. Благодаря этому вдыхаемый воздух отделяется от выдыхаемого воздуха. Выдохнутый воздух невозможно вновь вдохнуть. К клапану для выхода воздуха подключается пластиковый шланг, который направляет весь выдыхаемый воздух в измерительное устройство 100 и который соединен с предкамерой 4. Маска и шланги сохраняют герметичность до избыточного давления 200 мбар, так что весь выдыхаемый воздух проходит через измерительное устройство 100.

При этом измерительное программное обеспечение автоматически распознает, когда маска неправильно расположена на лице пациента либо сместилась. Измерительное программное обеспечение также распознает, дышит ли пациент еще или нет и в случае необходимости подает сигнал тревоги. Кроме того предусмотрено, чтобы измерительное программное обеспечение распознавало, когда может быть закончено измерение. Такое измерительное программное обеспечение может быть также интегрировано в блок обработки результатов 8.

Частота лазера 1 и определяемая напряжением развертки область спектра подобраны таким образом, чтобы в определенной области спектра располагались, по крайней мере, две линии спектра поглощения пробного газа. В рассмотренном примере это линия спектра поглощения ¹³СО2 и линия спектра поглощения ¹²СО2. После введения меченого ¹³С-метацетина он расщепляется в печени и может быть обнаружен в воздухе дыхания. Расщепление коррелирует с увеличением количества ¹³СО₂ в воздухе дыхания, что приводит к изменению соотношения ¹³СО2 и ¹²СО2. Соотношение определяется измерительным устройством 100 при помощи измерений методом поглощения, и его изменение во времени отражается на мониторе 93.

Фиг. 3 показывает одновременное измерение линий спектра поглощения ¹³СО2 и ¹²СО2 в ходе двух следующих друг за другом выдохов. Абсорбционное изменение показано в ОП (оптической плотности). Она записана и отображена как относительно времени в секундах, так и относительно частоты в волновых числах. Отчетливо видны сильные изменения абсорбции, а соответственно и концентрации.

Фиг. 4 показывает точность, с которой может быть измерено соотношение концентраций ¹³СО₂ и ¹²СО2. Соотношения концентраций были установлены посредством очень точно охарактеризованных исследуемых газов и эти соотношения были подтверждены при помощи пробных измерений. При этом абсцисса показывает установленное посредством исследуемых газов значение ЭОВ. Ордината показывает измеренное значение ЭОВ. которое определяется из соотношения линий спектра по фиг. 3. При этом 1 ЭОВ показывает изменение соотношения ¹³СО2 и ¹²СО2 на одну тысячную долю от естественного соотношения. Оказывается, соотношение концентраций ¹³СО2 и ¹²СО2 может быть определено с точностью более 5 ЭОВ на выдох - при измерении нескольких последовательных выдохов.

Диапазон измерений распространяется от 0 ЭОВ до более 1000 ЭОВ в диапазоне концентраций от 0,08 до 8% СО₂. Во всем диапазоне соотношение измеряется с высокой точностью.

Фиг. 5 показывает определение функционального состояния печени после приема меченого ¹³Сметацетина. Изображено увеличение количества ¹³СО2 у испытуемого после приема, которое сопровождается увеличением изменения абсорбции линии спектра поглощения СО2. Каждый выдох был замерен и соответствует одной точке измерения (то есть замеренные при одном выдохе спектры и выявленное при этом соотношение были усреднены в одну точку измерения). Увеличение и максимум абсорбционного изменения могут быть определены четко и точно в количественном отношении. Диагностическое средство было введено примерно на 3 мин.

Соответствующим образом может быть также определено соотношение других изотопов, элементов или молекул.

Соответствующее изобретению измерительное устройство позволяет наряду с измерением соотношения определенных изотопов также обрабатывать другие результаты. Например, может быть измерено общее количество продукта обмена веществ, например ¹³СО₂ в выдохе. Так, объемный поток, проходящий через измерительную камеру 2, определяется при помощи спирометра 5. Поскольку объем измерительной камеры 2 является постоянным и абсорбция определяется с разрешением по времени, количество диоксида углерода, проходящее через измерительную камеру, может быть определено путем интеграции в течение времени. В особенности непосредственно из абсорбции может быть определена концентрация, поскольку известен коэффициент погашения для каждой линии поглощения спектра, равно как и длина измерительной камеры. Поскольку измерительное устройство позволяет отслеживать абсорбцию с

- 10 022246 разрешением по времени в режиме реального времени, равно как и объемный поток - с разрешением по времени в режиме реального времени, общее количество может быть определено через интеграцию продукта объема и концентрации в течение времени в режиме реального времени.

Таким образом, путем измерения концентрации ¹³СО2 и концентрации ¹²СО2 может быть определено количество диоксида углерода, находящееся в измерительной камере, в отдельности для ¹³СО2 и ¹²СО2. В особенности может быть определено общее количество ¹³СО₂ - при измерении нескольких последовательных выдохов - с точностью до 10 мкг на выдох.

Дальнейшее применение определяет выявление изменения линий спектра поглощения СО₂ при изменяющейся концентрации СО2 в воздухе дыхания, при неизменном давлении в воздухе дыхания. С увеличением концентрации газа и/или изменяющемся парциальном давлении изменяется ширина линий спектра поглощения при помощи известных механизмов расширения линий спектра. Ширина спектральной линии при различных известных концентрациях СО2 может быть измерена при помощи измерительного устройства, сравн. линии поглощения спектра фиг. 2 и 3.

Фиг. 6 показывает измеренную ширину спектральной линии в зависимости от концентрации ¹²СО₂ в газовой дыхательной смеси в процентах. Выявленная зависимость может быть использована для дальнейшей коррекции ошибок.

Диапазон частот для измерения ¹³СО2 и ¹²СО2 находится между 2200 и 2400, в особенности между 2295 и 2305 см^-1. В общем, предпочтительно применяется лазер 1, излучающий свет в диапазоне частот от 2 до 12 мкм.

Использование описанного измерительного устройства не ограничивается измерением содержания СО₂ в воздухе дыхания. При помощи описанного измерительного прибора может быть исследована любая проба газа. При этом может быть, например, с высокой чувствительностью и очень точно в режиме реального времени определено соотношение изотопов любых газов. Соответствующее изобретению измерительное устройство позволяет в режиме реального времени производить количественное динамичное, с разрешением по времени измерение параметров обмена веществ. При этом также в режиме реального времени может производиться анализ нагрузок человека или животного.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Измерительное устройство для исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии, имеющее измерительную камеру (2), предназначенную для заполнения пробным газом, лазер (1), который размещен относительно измерительной камеры (2) таким образом, что излучаемый лазером свет проходит через измерительную камеру (2), детектирующее устройство (61), которое фиксирует излучаемый лазером (1) и проходящий через измерительную камеру (2) свет, и блок обработки результатов (8), который анализирует сформированные детектирующим устройством (61) сигналы для определения поглощения света в измерительной камере (2), причем лазер (1) является лазером с узкополосным излучением, ширина спектральных линий которого меньше или равна ширине измеряемой линии инфракрасного спектра поглощения пробного газа и менее 0,2 см^-1, причем лазер (1) выполнен и настроен таким образом, что частота лазера периодически изменяется в пределах предопределенной области спектра, причем частота лазера и ее изменения подобраны таким образом, что по крайней мере одна из измеряемых линий инфракрасного спектра поглощения газа находится в указанной области спектра, и причем детектирующее устройство (61) выполнено и настроено таким образом, что излучаемый лазером (1) и проходящий через измерительную камеру (2) свет измеряется с разрешением по времени так, что поглощение света в пределах указанной области спектра может определяться с разрешением по частоте, причём детектирующее устройство (61) выполнено и настроено так, чтобы измерять множество точек замера, которые соответствуют в каждом случае отдельному измерению методом поглощения, отличающееся тем, что измерительное устройство имеет предкамеру (4), выполненную для гомогенизации пробного газа, поступающего в измерительную камеру (2), а детектирующее устройство (61) выполнено и настроено таким образом, что оно способно производить отдельное измерение в пределах 10^-5 с или быстрее, и что измерительное устройство пригодно для проведения измерений на газовой дыхательной смеси человека или животного в качестве пробного газа, при этом измерительная камера (2) имеет постоянное поперечное сечение на участке, по которому проходит пробный газ, и открытую структуру без вентилей или воздушных клапанов, которые могут препятствовать течению гомогенизированного пробного газа, причём газовая дыхательная смесь замещается в измерительной камере (2) исключительно посредством дыхания человека или животного, поскольку создаваемое измерительным устройством противодавление составляет менее 60 мбар.
2. 2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что частота лазера и ее изменение подоб- 11 022246 раны таким образом, чтобы по крайней мере две линии инфракрасного спектра поглощения пробного газа находились в указанной области спектра, и тем, что блок обработки результатов (8) выполнен и настроен таким образом, чтобы на основе абсорбции света, происходящей у двух линий спектра поглощения, определять соотношение двух изотопов, элементов или молекул пробного газа в режиме реального времени.
3. 3. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство (2) между входом газа в измерительное устройство (2) и выходом газа из измерительного устройства (2), по существу, имеет неизменное поперечное сечение для проходящего пробного газа.
4. 4. Измерительное устройство по п.3, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено и настроено таким образом, что во время прохождения гомогенизированного пробного газа через измерительную камеру (2) происходит фиксирование света детектирующим устройством (61) с разрешением по времени.
5. 5. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит спирометр (5), который фиксирует объемный поток гомогенизированного пробного газа, проходящего через измерительную камеру.
6. 6. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что предкамера (4) выполнена с возможностью нагревания или охлаждения пробного газа до определенной температуры и снижения содержания водяного пара в пробном газе.
7. 7. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что детектирующее устройство (61) выполнено и настроено для измерения более 20 точек измерения, в особенности более 100 точек измерения, в особенности более 500 точек измерения в указанной области спектра, в которой изменяется частота лазера.
8. 8. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что лазерный сигнал является импульсным с длительностью импульса предпочтительно менее 200 нс, в особенности менее 100 нс.
9. 9. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что детектирующее устройство (61) выполнено и настроено для проведения измерения методом поглощения по каждому излученному световому импульсу лазера.
10. 10. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что детектирующее устройство (61) выполнено и настроено так, чтобы считываться с частотой, вдвое превышающей частоту, с которой лазер излучает световые импульсы.
11. 11. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что измерительное устройство сконструировано таким образом, что излучаемый лазером (1) свет разделяется на два луча, причем один луч проходит через измерительную камеру (2), а другой луч фиксируется дополнительным контрольным детектирующим устройством (62), причем блок обработки результатов (8) анализирует сигналы контрольного детектирующего устройства для нормировки силы сигнала лазера.
12. 12. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено и настроено для определения концентрации диоксида углерода в газовой дыхательной смеси в диапазоне от 0,08 до 8% в потоке в режиме реального времени.
13. 13. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено и настроено для определения ширины линии инфракрасного спектра поглощения пробного газа в зависимости от концентрации газа.
14. 14. Метод исследования пробного газа при помощи инфракрасной абсорбционной спектроскопии в измерительном устройстве согласно одному из предыдущих пунктов с этапами просвечивания измерительной камеры (2) светом, излучаемым узкополосным лазером (1), ширина спектральной линии которого меньше или равна ширине измеряемой линии инфракрасного спектра поглощения находящегося в измерительной камере (2) гомогенизированного пробного газа и менее 0,2 см^-1, причем частота лазера периодически изменяется в пределах определенной области спектра и частота лазера и ее изменение подобраны таким образом, чтобы по крайней мере одна измеряемая линия инфракрасного спектра поглощения пробного газа находилась в определенной области спектра, восприятия с разрешением по времени излучаемого лазером (1) и просвечивающего измерительную камеру (2) света, при этом измеряется множество точек замера, которые соответствуют в каждом случае отдельному измерению методом поглощения и причём отдельное измерение методом поглощения производится в пределах 10^-5 с или быстрее, и обработки воспринятых сигналов в отношении произошедшего в измерительной камере (2) поглощения света, причем поглощение света определяется с разрешением по частоте в пределах определенной области спектра, отличающийся тем, что исследуют газовую дыхательную смесь человека или животного, которую гомогенизируют до подачи в измерительную камеру (2), причем газовую дыхательную смесь замещают в измерительной камере исключительно путем дыхания человека или животного, поскольку создаваемое измерительным устройством противодавление составляет менее 60 мбар.
15. 15. Метод по п.14, отличающийся тем, что определяют соотношение двух изотопов, элементов или молекул пробного газа, которые имеют линии спектра поглощения, находящиеся в указанной области