RU216708U1 - Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области медицины, а именно к анализаторам аммиака в выдыхаемом воздухе, предназначенным для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Смежной областью полезной модели является оптическая измерительная техника, точнее - оптические инфракрасные газоанализаторы для измерения концентраций аммиака в химической, пищевой и электронной промышленности. Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха выполнен в едином светонепроницаемом металлическом корпусе, внутри которого закреплены блок лазерного излучателя, фотодиодный блок, многоходовая зеркальная оптическая кювета и блок управления, обработки и передачи данных. Блок лазерного излучения содержит лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака. Многоходовая зеркальная оптическая кювета имеет цилиндрическую форму и содержит зеркальный объектив и два плоских зеркала, расположенных внутри кюветы с возможностью многократного прохождения излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы. Плоские зеркала кюветы имеют конические отверстия для ввода лазерного излучения в полость кюветы и вывода его за пределы полости в направлении фотодиодного блока. Корпус оборудован разъемом питания электронных элементов, а также разъемом передачи данных с многоканального микроконтроллера обработки сигналов. Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленной полезной модели, является повышение точности, чувствительности и селективности дыхательного метода определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха за счет применения диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии с использованием излучения ближнего инфракрасного диапазона. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области медицины, а именно к анализаторам аммиака в выдыхаемом воздухе, предназначенным для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Смежной областью полезной модели является оптическая измерительная техника, точнее оптические инфракрасные газоанализаторы для измерения концентраций аммиака в химической, пищевой и электронной промышленности.

В настоящее время в области медицины отсутствуют оптические устройства, предназначенные для определения концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе. Существующие для решения данной задачи устройства используют электрохимические и полупроводниковые технологии. В результате устройства имеют низкую селективность и чувствительность, т.к. на результат оказывают влияние другие газообразные вещества присущие в выдыхаемом воздухе.

Известен патент на полезную модель «Устройство для диагностики инфицированности бактерией Helicobacter pylori» (RU 194744 U1, МПК A61B 5/097, А61В 5/14552, A61B 5/082, опубликована 23.12.2019). Устройство включает сменный измерительный модуль, установленный в посадочное место устройства и содержащий измерительный преобразователь, блок обработки и усиления сигнала и блок памяти, систему пробоподвода, выполненную в виде насадки, установленной по внешнему диаметру посадочного места, блок управления и обработки данных, соединенный с измерительным модулем, блоком отображения и ввода и блоком передачи данных, а также блок вспомогательного контроллера, соединенным с блоком питания, встроенной аккумуляторной батареей, блоком заряда аккумуляторной батареи и с микронасосом.

К существенным недостаткам данного устройства можно отнести:

- низкую чувствительность и неполную селективность из-за влияния присущих в выдыхаемом воздухе газов, например, H₂O и CO₂;

- низкую точность из-за нижнего предела обнаружения аммиака порядка 1,4 мг/м³.

В смежных областях существуют технические решения, позволяющие проводить селективное определение концентрации аммиака в газовых средах с необходимой точностью.

Известна заявка на изобретение «Кювета газоанализатора, газоанализатор, содержащий такую кювету и способ детектирования газа» (RU 2020128982 А, МПК G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/359, G01N 21/39, опубликована 02.03.2022). Газоанализатор содержит измерительный объем, образованный кюветой, источник инфракрасного (ИК) излучения ближнего ИК-диапазона, фотодетектор для детектирования выходного ИК-излучения ближнего ИК-диапазона, источник ИК-излучения среднего ИК-диапазона, многоканальный детектор для детектирования выходного излучения среднего ИК-диапазона, вычислительный блок для анализа параметров выходных ИК-излучений. Кювета газоанализатора содержит оппозитно расположенные сферические зеркала, одно из которых выполнено с возможностью заведения в образуемую зеркалами полость пучка ИК излучения ближнего ИК-диапазона, причем зеркала выполнены с возможностью многократного прохождения упомянутого пучка инфракрасного излучения ближнего ИК-диапазона внутри полости и его выхода за пределы полости в направлении фотодетектора. Зеркала выполнены с возможностью заведения в образуемую ими полость пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона, с возможностью многократного прохождения пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона внутри полости и его выхода за пределы полости в направлении многоканального детектора, причем место заведения пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона и место выхода этого пучка за пределы полости расположены на одной стороне кюветы.

Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели.

Однако этот прототип имеет недостатки, а именно:

- неэффективное использование площади зеркал и объема кюветы, обусловленное применением сферических зеркал в системе Эрриотта;

- дополнительные оптические потери, обусловленные, помимо резонатора, образованного двумя сферическими зеркалами, использованием оптического волокна, входного и выходного оптических клиньев.

Технической проблемой настоящей полезной модели является создание оптического инфракрасного модуля для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха с достижением следующего технического результата: повышение точности, чувствительности и селективности дыхательного аммиачного метода за счет применения диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии с использованием излучения ближнего инфракрасного диапазона

Техническая проблема решается за счет того, что оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха, содержащий блок лазерного излучателя, многоходовую зеркальную оптическую кювету, фотодиодный блок и блок управления, обработки и передачи данных, выполнен в едином светонепроницаемом металлическом корпусе, внутри которого размещены оптически связанные через оптическую многоходовую кювету блок лазерного излучателя и фотодиодный блок, состоящий из фотодиодного модуля и элементов усиления и преобразования сигнала, причем блок лазерного излучателя и фотодиодный блок подключены к выводам блока управления, обработки и передачи данных, закрепленного внутри корпуса, при этом блок лазерного излучения содержит лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака, а внутри оптической многоходовой кюветы установлены сферический зеркальный объектив и два плоских зеркала с отверстиями, расположенных с возможностью многократного прохождения излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы. А также за счет того, что плоские зеркала оптической многоходовой кюветы имеют конические отверстия для ввода лазерного излучения в полость кюветы и вывода его за пределы полости в направление фотодиодного блока, оптическая многоходовая кювета имеет цилиндрическую форму, а корпус модуля снабжен ячейками ввода-вывода исследуемого газового вещества в полость кюветы.

Технический результат решения достигается за счет того, что заявленная конструкция за счет применения лазерного излучателя и фотодиодного блока, оптически связанных через оптическую многоходовую кювету и имеющих время отклика не более 10 секунд, позволяет сократить время проведения аммиачного дыхательного теста в 3 раза. Кроме того позволяет повысить точность и селективность за счет использования блока лазерного излучения, содержащего лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака с наибольшей интенсивностью в коротковолновой области инфракрасного диапазона, т.е. измерять низкие концентрации аммиака около 0,1 ppm за счет использования линий поглощения аммиака с наибольшей интенсивностью в коротковолновой области инфракрасного диапазона. Благодаря применению в структуре оптической многоходовой кюветы сферического зеркального объектива и двух плоских зеркал с отверстиями, способствующих многократному прохождению излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы и эффективному использованию ее объема, происходит улучшение чувствительности, что в свою очередь позволяет минимизировать воздействия основных соединений выдыхаемого воздуха (H₂O, O₂, N₂ и CO₂) на результат за счет повышения разрешающей способности при помощи ячейки с многопроходным или длинным оптическим поглощением.

Повышение точности, чувствительности и селективности заявленного решения обеспечивает повышение эффективности работы заявленного оптического инфракрасного модуля.

Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и графическим материалом.

На Фиг. 1 представлена блок-схема оптического инфракрасного модуля для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха.

Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха (Фиг. 1) содержит блок лазерного излучателя 1, многоходовую зеркальную оптическую кювету 2, фотодиодный блок 3, блок управления, обработки и передачи данных 4.

Блок лазерного излучателя 1 оптически связан с фотодиодным блоком 3 через многоходовую зеркальную оптическую кювету 2. Блок лазерного излучателя 1 содержит лазерный диод 5 с распределенной обратной связью (DFB) с центральной длиной волны 1512 нм и контроллер температуры 6 для стабильности и контроля длины волны лазерного диода. Многоходовая зеркальная оптическая кювета 2 имеет цилиндрическую форму, внутри которой установлены два плоских зеркала 7-8 и один сферический зеркальный объектив 9. На внутреннюю поверхность сферического зеркального объектива 9 нанесено алюминиевое напыление. Плоские зеркала 7-8 полностью изготовлены из алюминия. По центру зеркал расположены конические отверстия для ввода 17 и вывода 18 излучения ближнего инфракрасного диапазона. Блок лазерного излучателя 1 закреплен таким образом, что излучение через отверстие 17 в зеркале 7 попадает непосредственно на поверхность сферического зеркального объектива 9. У выходного отверстия 18 плоского зеркала 8 расположен фотодиодный блок 3.

Фотодиодный блок 3 содержит фотодиодный модуль 10 спектрального диапазона 900-2700 нм и элементы усиления и преобразования сигнала 11.

Вся элементная база заключена в едином светонепроницаемом металлическом корпусе 12. Блок управления, обработки и передачи данных 4 подключаются к выводам фотодиодного блока 3 и выводам блока лазерного излучателя 1 проводами. Строение корпуса имеет позиции (ячейки) ввода-вывода 13-14 исследуемого газового вещества в полость кюветы, разъем питания 15 и разъем передачи данных 16 с многоканального микроконтроллера обработки сигналов, являющегося частью блока управления, обработки и передачи данных 4.

Рассмотрим работу модуля, как медицинского анализатора аммиака в потоке выдыхаемого воздуха.

Подготовка к тесту заключается в том, что к ячейке 13 подключается мембранный насос для аспирации выдыхаемого воздуха, к ячейке 14 подключается средство забора пробы, состоящее из мундштука и пробозаборного капилляра. К модулю через разъем питания подключается внешний адаптер питания, также к модулю через разъем передачи данных подключается персональный компьютер, с заранее установленным специализированным программным обеспечением.

В начале теста измеряются энергетические параметры лазерного излучения, прошедшего через пустую многоходовую зеркальную оптическую кювету 2. Измерение длится около 10 секунд. В это время образованное блоком лазерного излучателя 1 излучение проходит через отверстие 17 в зеркале 7 и попадает непосредственно на поверхность сферического зеркального объектива 9. Далее излучение многократно переотражается от зеркальных поверхностей элементов 7-9 и выходит через отверстие 18 плоского зеркала 8 на фотодиодный блок 3. В фотодиодном блоке 3 лазерное излучение преобразуется сначала в электрический сигнал, затем из аналогового электрического сигнала преобразовывается в цифровой, который поступает в блок управления, обработки и передачи данных 4. В блоке 4 цифровой сигнал пересчитывается в энергетические параметры, которые сохраняются в памяти данного блока.

Далее пациенту подается средство забора пробы, в которое он начинает дышать. Забор воздуха из ротовой полости длится в течение 60 секунд. В это время многоходовая зеркальная оптическая кювета 2 заполняется выдыхаемым воздухом. Процессы, описанные выше, остаются. Однако интенсивность излучения на выходе заполненной выдыхаемым воздухом кюветы 2 будет меньше (по сравнению интенсивность излучения на выходе с пустой кюветов).

На аппаратном уровне в блоке управления, обработки и передачи данных 4 полученные энергетические параметры сравниваются, и по ним рассчитывается концентрация аммиака в выдыхаемом воздухе. Результат моментально отображается на средстве отображения информации персонального компьютера. В свою очередь в зависимости от полученных результатов теста и данных анамнеза пациента врач может назначить или скорректировать лечение желудочно-кишечного тракта.

Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха питается от внешнего источника питания через адаптер питания (напряжение 5 В, ток 1А). Разработанный модуль обладает компактными размерами: длина модуля не превышает 200 мм и весом не превышает 2 кг.

Claims (4)

1. Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха, содержащий блок лазерного излучателя, многоходовую зеркальную оптическую кювету, фотодиодный блок и блок управления, обработки и передачи данных, отличающийся тем, что он выполнен в едином светонепроницаемом металлическом корпусе, внутри которого размещены оптически связанные через оптическую многоходовую кювету блок лазерного излучателя и фотодиодный блок, состоящий из фотодиодного модуля и элементов усиления и преобразования сигнала, причем блок лазерного излучателя и фотодиодный блок подключены к выводам блока управления, обработки и передачи данных, закрепленного внутри корпуса, при этом блок лазерного излучения содержит лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака, а внутри оптической многоходовой кюветы установлены сферический зеркальный объектив и два плоских зеркала с отверстиями, расположенные с возможностью многократного прохождения излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы.

2. Оптический инфракрасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что плоские зеркала оптической многоходовой кюветы имеют конические отверстия для ввода лазерного излучения в полость кюветы и вывода его за пределы полости в направление фотодиодного блока.

3. Оптический инфракрасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что оптическая многоходовая кювета имеет цилиндрическую форму.

4. Оптический инфракрасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что корпус модуля снабжен ячейками ввода-вывода исследуемого газового вещества в полость кюветы.

Images