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

Info

Publication number
RU2597943C1
RU2597943C1 RU2015128845A RU2015128845A RU2597943C1 RU 2597943 C1 RU2597943 C1 RU 2597943C1 RU 2015128845 A RU2015128845 A RU 2015128845A RU 2015128845 A RU2015128845 A RU 2015128845A RU 2597943 C1 RU2597943 C1 RU 2597943C1
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
patient
acetone
air
discharge
exhaled
Prior art date
Application number
RU2015128845A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Никитич Атутов
Александр Иванович Плеханов
Николай Владимирович Суровцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to medical diagnostics of the presence of acetone in the expired air of a patient. Method of measuring concentration of acetone in the expired air is based on measuring the level of acetone content according by the discharge emission lines at low pressure of the expired air sample of a patient with setting of the concentration of water steams, determined by the parameters of glow discharge. Proposed device consists of discharge tube with the discharge in the pumped through the tube of the expired air of a patient combined with visible wavelength range spectrometer and with a possibility of decoding and interpretation of emission spectra. Using the invention provides the possibility of non-invasive control of glucose content in diabetic's blood by measurement of acetone concentration in the expired air in real time.
EFFECT: invention provides to increase accuracy and measuring sensitivity of acetone impurities concentration in the expired air of a patient, as well as to simplify the design and to expand the range of devices of this purpose.
2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской диагностике. The invention relates to medicine, namely to the medical diagnosis. 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 proposed technical solution can be used for rapid diagnosis of, e.g., diabetes, the content of acetone microimpurities exhaled by the patient air Using the above technical solution enables the control of glucose in the blood of a diabetic patient by means of an accurate and sensitive measurement of the concentration of acetone vapors in exhaled patient air 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. From a medical point of view, diabetes is a disease that is characterized by absolute or relative insulin deficiency, a complex metabolic disorder, and elevated levels of glucose in the blood. 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. When insulin deficiency glucose ceases to be available source of energy, so as an alternative source of energy in the patient begins production of so called ketone As is well known, ketones (e.g., acetone) is always present in the blood. Заболевание диабетом является наиболее распространенной причиной патологического повышения производства ацетона организмом больного. diabetes is the most common cause of abnormal increase of production by the body of the patient acetone. Это происходит из-за недостаточного количества инсулина в крови. This occurs due to insufficient amount of insulin in the blood. Организм больного может избавиться от ацетона через легкие, что придает дыханию больного сладковатый запах подгнивших фруктов. the patient's body can get rid of acetone through the lungs, which makes breathing patient sweet smell of rotten fruit. Большое количество ацетона, которое содержится в дыхании, означает, что клетки организма либо не имеют достаточно инсулина, либо они не могут использовать инсулин надлежащим образом. A large amount of acetone, which is contained in the breath, means that the body cells are either not enough insulin or can not use insulin properly. 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. Elevated levels of glucose in the blood, usually leads to severe medical complications, such as blindness, kidney failure and heart disease, gangrene, amputation 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. Currently available methods for daily monitoring of blood glucose levels for insulin therapy is usually expensive, cumbersome and quite painful. Обычно это делается путем прокалывания пальца и помещением капли крови на тест-полоски с нанесенными на них химических веществ чувствительных к глюкозе. Usually this is done by piercing the finger and placing a drop of blood on a test strip coated with these chemicals are sensitive to glucose. 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. In order to strictly control blood glucose levels and effectively mitigate potential complications through insulin therapy for patients with diabetes is recommended 4-7 tests per day. Но из-за дороговизны тест-полосок, этот тип мониторинга уровня глюкозы в крови приходится проводить с частотой не более чем два раза в день. But because of the high cost of the test strips, the glucose level in the blood type of monitoring must be carried out with a frequency of no more than twice a day. Кроме того, физические страдания приводят к частым уклонениям больных от этой жизненно важной процедуры. In addition, the physical suffering cause of the failure of patients from this vital procedure. Особенно проблематично частое проведение этой манипуляции у больных детей. Especially problematic frequent manipulation of the sick children. 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). Note also rather low accuracy of measurement in blood glucose level at home, which, according to ISO 15197 standard for the available glucose meters do not exceed ± 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).

Известны технические решения, представленные в различных неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом по дыханию человека. There are technical solutions presented in a variety of non-invasive method for monitoring blood glucose levels of diabetics by human breath. Все разработанные методы, в основном, можно разделить на две группы. All developed methods, mainly can be divided into two groups. 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. The first of them include methods based on the difference between the mass to charge ratio ions detectable substances or contrast their diffusion properties is used for the second difference absorption spectra or emission spectra of different 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 includes methods: Mass spectrometry (. Lebedev AT Mass spectrometry in organic chemistry Binom, 2003), gas chromatography (Berezkin VG Gas-liquid-solid phase chromatography, M .: Chemistry, 1986, 112. c) Mass spectrometry combined with gas chromatographic separation (Mamyrin VA, 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. The disadvantage of these technical solutions are not suitable for a wide daily use in the outpatient or home in real time. Эти технические решения требуют использования сложного и громоздкого оборудования с применением сверхвысокого вакуума, больших объемов сверхчистых газов-носителей в сменяемых баллонах высокого давления; These technical solutions require the use of complex and bulky equipment using ultra-high vacuum, large amounts of ultra pure carrier gases exchangeable cylinders in a high pressure; они сложны в реализации и требуют обслуживание квалифицированных операторов. they are complex to implement and require skilled maintenance operators. Кроме того измерения занимают много времени на сбор образцов дыхания, на их транспортировку, хранение и на подготовку к анализу. In addition the measurement takes a long time to collect breath samples, their transport, storage and preparation for analysis. 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. In addition, trace amounts of acetone are present in a patient's breath in the presence of large amounts of water vapor can easily be lost during these complicated procedures as acetone is volatile and chemically active material, and it is miscible with water in practically any ratio. 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. Since these listed methods are too complicated and expensive - they can be implemented only in specialized laboratories and are not suitable for daily use in the outpatient or home.

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 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); Known technical solutions, referred to the second group of non-invasive methods for monitoring glucose levels in the blood of patients with diabetes patient breathing using differences of the absorption spectra or emission spectra of different 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).; 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)); 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) 093 116 - (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). 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. The disadvantage of these technical solutions is the low accuracy and sensitivity. 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. As well as the use of expensive laser light sources consisting of pump lasers or tunable over a wide spectral range diode lasers and bulky multipass absorption cells. Зачастую, эти методы требуют использование криогенных температур, необходимых для функционирования источников излучения или детекторов. Often, these methods require the use of cryogenic temperatures required for the operation of the radiation sources and detectors. 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. In case of using absorption spectroscopy, a large amount of water vapor in the patient's breathing has a negative influence on the sensitivity and accuracy of measurements, because the transmission multipass absorption cells dramatically reduced due to vapor condensation on the optical windows. Большое количество линий воды в регистрируемых спектрах представляют серьезную проблему для их расшифровки и интерпретации. A large number of water lines in the recorded spectra represent a serious problem for their decoding and interpretation.

К настоящему времени наибольший интерес вызывает эмиссионная спектроскопия видимого светового излучения разряда переменного или постоянного токов в выдыхаемом воздухе. To date, the greatest interest is the visible emission spectroscopy of AC or DC discharge currents of the light emission in the exhaled air. Преимущество эмиссионной спектроскопии по сравнению с другими выше перечисленными методами заключаются в том, что не требуется применения сверхвысокого вакуума и криогенных температур. Emission spectroscopy advantage compared with other methods are listed above that does not require the application of ultra-high vacuum and cryogenic temperatures. 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. Besides emission spectroscopy in the visible wavelength range insensitive to the presence of water vapor in the patient's expired air due to the lack of strong water lines in this range and has a high spectral selectivity, limited only by the broadening of the emission lines due to the Doppler effect. Поскольку измерения производятся с использованием эмиссионного излучения, становится не нужным использование многопроходных ячеек поглощения. Since the measurements are made using the emission of radiation, it is not necessary to use multipass absorption cells. Кроме того, высокая селективность этого метода сочетается с широким спектральным диапазоном, охватывающим практически все биомаркеры, интересные для медицинских приложений. In addition, the high selectivity of this method is combined with a broad spectral range, covering almost all biomarkers of interest for medical applications. Регистрация эмиссионного спектра происходит практически на «нулевом световом фоне» в отличие от регистрации спектра поглощения, которое производится в условиях сильной засветки фотоприемника пробным излучением. Register emission spectrum occurs almost "zero light background" as opposed to the registration of the absorption spectrum, which is produced under conditions of strong illumination photodetector probe radiation. Это позволяет достичь, большего соотношения сигнал/шум в случае эмиссионной спектроскопии, по сравнению со случаем спектроскопии поглощения. This allows to achieve a greater signal / noise ratio in the case of emission spectroscopy, compared with the case of absorption spectroscopy. Появление на рынке оптических спектрографов с размерами спичечного коробка делает возможным создание компактных и простых эмиссионно-спектроскопических приборов пригодных для широкого использования. The appearance on the market of optical spectrographs with the size of a matchbox makes it possible to create a compact and easy-emission spectroscopic instruments are 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 CO 2 , а также нормировкой сигнала, пропорционального концентрации алкоголя, на сигнал, пропорционального концентрации CO 2 . Known technical solution, which is a method and apparatus for determining and precise measurement of the alcohol content in the breath of human (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) Accuracy in the proposed technical solution is achieved in parallel by detecting and measuring the concentration of CO 2 as well as the normalization signal proportional to the concentration of alcohol, a signal proportional to the concentration of CO 2. 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. The fact that the signal on alcohol and its measured concentration is strongly dependent on the intensity with which the subject breathes into the device: a strong wind can produce a stronger signal, while the actual concentration of alcohol in this case is constant. Поскольку сигнал от СО 2 так же пропорционален интенсивности дыхания, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка существенно повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации алкоголя в дыхании человека. Since the signal from the CO 2 also proportional to the respiration rate, the authors of this patent demonstrate that the proposed normalization significantly increases the accuracy and reproducibility of measurement of the concentration of alcohol in a person's breath.

Недостатком этого технического решения является необходимость в использовании дополнительного спектрального прибора для параллельного детектирования и измерения концентрации СО 2 , что существенно усложняет конструкцию прибора и затрудняет проведение измерений. A disadvantage of this technical solution is the need for additional spectral device for parallel detection and measurement of the concentration of CO 2, which significantly complicates the design of the instrument and makes it difficult to conduct the measurement. Последнее, что очень важно, снижает чувствительность прибора и делает невозможным обнаружения сверхмалых концентраций ацетона на начальных стадиях заболевания, когда еще возможно излечение больного. The last thing that 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 the patient is still possible cure.

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. Known technical solution, which is a method and apparatus for non-invasive monitoring of diabetes by measuring the concentration of acetone in the exhaled air (US Patent 7417730 B2, «Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics», IPC G01J 3/30, G01N 21/73, published 04.10.2007), chosen as the prototype. 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. Technical Solution sampling line contains a source of carrier gas, discharge cell, the power supply to initiate and sustain discharge spectrograph and works as follows: air exhaled by the patient into the sampling line is mixed with the carrier gas. В качестве несущего газа используется сверхчистый аргон или гелий при атмосферном давлении. As the carrier gas used ultrapure argon or helium at atmospheric pressure. Затем смесь газов прокачивается через разрядную ячейку с расходом несущего газа порядка 1 литра в минуту. The mixture was then pumped through the gas discharge cell with the carrier gas flow rate of about 1 liter per minute. В ячейке поддерживается коронный разряд. In a corona discharge cell is maintained. Эмиссионный спектр разряда с помощью линзы или оптического волокна подается на спектрограф, сигнал с которого анализирует эмиссионный спектр пробы выдыхаемого воздуха пациента. The emission spectrum of the discharge by a lens or optical fiber is fed to a spectrograph, which analyzes the signal from the emission spectrum of the sample of air exhaled by the patient. Было обнаружено, что эмиссионный спектр ацетона представляет собой несколько пиков с центральным пиком около 516,5 нанометров. It was found that the emission spectrum of acetone is several peaks with a central peak around 516.5 nanometers. Этот пик был использован в качестве индикатора, по которому обнаруживался и измерялся ацетон в выдыхаемом воздухе пациента. This peak was used as an indicator by which acetone is detected and measured in the exhaled air of the patient. Устройство было откалибровано с использованием смеси несущего газа и с добавлением паров ацетона, которое давало концентрацию ацетона 25 частей на миллион. The apparatus was calibrated using a mixture of carrier gas and with the addition of acetone vapors, which gave the concentration of acetone 25 ppm. Калибровку с более низкими концентрациями осуществлялась с помощью специализированных прецизионных контролеров. Calibrate with lower concentrations was carried out by a specialized precision controllers. Была обнаружена линейная зависимость показания этого устройства от концентрации ацетона. linear dependence of the device from reading the acetone concentration was detected.

Недостатком известного технического решения является применение разряда при атмосферном давлении, который характеризуется крайней нестабильностью горения. A disadvantage of the known technical solutions is the use of discharge at atmospheric pressure, which is characterized by extreme combustion instability. 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. This leads to large fluctuations in the intensity of the emission radiation, which in turn increases the noise in the measurement signal, which drastically reduces the accuracy of measuring acetone concentration and sensitivity of the technical solutions.

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. Before the authors of the task was to develop a method for monitoring small impurities of acetone in a patient's exhaled air is suitable for non-invasive, wide and daily use in the outpatient or home in real time, 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, выпо The problem is solved in that in the method the monitoring of minor impurities of acetone in the breath of a patient comprising the use of a power source, spectrometer discharge cell line sampling, analysis and processing unit, the implementation sampling of exhaled patient air and then supplying it to the line sampling initiation discharge in the discharge cell, registering the emission spectrum, the emission spectrum of analyzing a sample of the exhaled air of the patient, thus further pumping using pump vypo ненный 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 посред nenny to reduce exhaled patient air pressure in the discharge cell line sampling equipped with an adjustable valve, in addition, further comprising control leakage of exhaled patient air through the sample valve regulated selection line carried decompression exhaled patient air in the discharge cell pumping pump, and initiation of the discharge in the discharge cell is carried out under reduced pressure, and analyzing the emission spectrum of the sample of exhaled air of the patient is performed midst твом нормировки интенсивности этого эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента. 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 The method is implemented using monitoring of minor impurities acetone device in the patient's exhaled air, comprising a power source, a spectrometer, a discharge cell sampling line flow analysis and processing, which is additionally equipped with a pump pumping performed to reduce exhaled patient air pressure in the discharge cell, wherein the line sampling performed equipped adjustable valve, and the analysis and processing unit is carrying out the normalization of the intensity of the emission spectrum of the concentration паров воды в выдыхаемом воздухе пациента. water vapor in the 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. A technical effect of the claimed technical solutions is to increase the accuracy and sensitivity of 15 times in the measurement of small concentrations of impurities acetone in the breath of the patient, as well as to simplify the construction and expansion of the range of the destination device.

Заявляемый способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента реализуется с помощью устройства, которое поясняется блок-схемой, представленной на фиг. The inventive method for monitoring small impurities acetone in the breath of the patient is realized by a device which is explained by the flow diagram shown in FIG. 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. 1, wherein 1 - pumping pump, 2 - discharge cell, 3 - adjustment valve 4 - sampling line 5 - power source 6 - spectrometer, 7 - analysis and processing unit.

На фиг. FIG. 2 представлен пример эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха пациента с добавлением ацетон. 2 shows an example of emission spectrum of the sample of exhaled air from the patient by the addition of acetone.

На фиг. FIG. 3 представлена зависимость интенсивности эмиссионного спектра ацетона от его концентрации. 3 shows the dependence of the intensity of the emission spectrum of the acetone by concentration.

На фиг. FIG. 4 представлен типичный эмиссионный спектр выдыхаемого воздуха пациента, больного диабетом. 4 shows a typical emission spectrum of the exhaled air of the patient, the patient's diabetes.

На фиг. FIG. 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. 5 is a plot of blood glucose concentrations from the acetone concentration in the exhaled air of 2 patients and a person not having a disease 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. The inventive method for monitoring small impurities of acetone in the breath of the patient based on the use of the device for monitoring small impurities acetone in the breath of the patient, operates as follows. 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 врем The apparatus is further equipped with pumping pump 1 that is configured to lower the patient's expiratory air pressure in the discharge cell 2, and the sampling line 4, which is equipped with an adjustable valve 3. Initially, a patient is carried fence exhaled air and then supplying it into the sample selection line 4, and then via regulating valve 3 that regulates the patient's exhaled air leakage through the sample line 4. Further, the exhaled air of the patient arrives in the discharge cell 2, in which during я 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. I operation is maintained at a reduced air pressure 10-100 Torr by a pump 1 and pumping a controlled valve 3. When reaching the working pressure in the discharge cell 2 is initiated by a glow discharge with a constant current, which varies in the range of 5 to 20 mA. Для поддержания разряда используется источник питания 5 с напряжением 1500 вольт и максимальным током до 20 мА. It is used to maintain the discharge power supply 5 volts to 1500 V and a maximum current of 20 mA. 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. Further, through the fiber optic cable discharge emission radiation is directed into the spectrometer 6, the signal from which is registered and processed by the analysis and processing unit 7 which carries out the normalization of the intensity of the emission spectrum by the concentration of water vapor in the exhaled air of the patient by measuring the parameters of the discharge. Для осуществления заявляемого способа используется спектрометр, например, оптоволоконный с высокой фотометрической чувствительностью в видимом спектральном диапазоне. For implementation of the claimed method uses a spectrometer, such as a fiber optic photometer with high sensitivity in the visible spectral range. Входная щель спектрографа с шириной 50 мкм и дифракционная решетка с 600 штрихами на 1 мм обеспечивают спектральное разрешение равное 1,2 нм. The entrance slit of the spectrograph with a width of 50 microns and a diffraction grating with 600 lines per 1 mm provide spectral resolution equal to 1.2 nm.

На Фиг. FIG. 2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха при добавлении в него ацетона. 2 shows a typical emission spectrum of acetone, resulting in glow discharge in laboratory air with the addition to it of acetone. Этот эмиссионный спектр получен при концентрации ацетона равной 30 ppm. This emission spectrum is obtained at a concentration of acetone of 30 ppm. Ацетон в эмиссионном спектре представлен в виде 14 пиков различных амплитуд расположенных в интервале длин волн от 480 до 580 нанометров. Acetone in the emission spectrum represented as 14 peaks of different amplitudes arranged in the wavelength range of 480 to 580 nanometers. Яркие линии с длинами волн 656 нм и 486 нм отвечают линиям водорода Н α и Η β серии Бальмера. Bright lines at wavelengths of 656 nm and 486 nm correspond to the lines H α hydrogen and Η β 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 in the prior art were used only pure noble gases as a carrier gas was a concern that acetone is decomposed in the air discharge, as a result of oxidation of acetone by air oxygen.

Были проведены эксперименты по регистрации эмиссионного спектра ацетона в отсутствии кислорода посредством использовании чистого азота и аргона в качестве газа носителя. Experiments were performed on the registration of the emission spectrum of acetone in the absence of oxygen by use of pure nitrogen and argon as a carrier gas. Полученные эмиссионные спектры ацетона были неотличимы от эмиссионных спектров, зарегистрированных в воздушном разряде. The obtained emission spectra were indistinguishable from acetone emission spectra, registered in the air discharge. Этот результат исключает гипотетическую возможность искажения эмиссионного спектра ацетона вследствие его окисления кислородом воздуха в тлеющем разряде. This result eliminates the hypothetical possibility of distortion of the emission spectrum of the acetone due to its oxidation by air oxygen in a glow discharge.

На фиг. FIG. 3 представлена зависимость интенсивности эмиссионных спектров ацетона от его концентрации в воздухе. 3 shows the dependence of intensity of emission spectra from the acetone concentration in the air. 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. To do this, within the scope of preconditioning the sample liquid were injected precision portions of acetone, and after evaporation the mixture through a regulated valve introduced into the discharge cell 2. At low concentrations, this dependence of acetone with good accuracy is linear, and then at a concentration of about 17,5 ppbm the graph is saturated. Было измерено, что пороговая чувствительность предлагаемого устройства на уровне шумов разряда, составляет величину порядка 1 ppbv. It was measured that the threshold sensitivity of the device to discharge the noise level of the order of 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. Such high sensitivity in comparison threshold sensitivity of the prototype (15 ppbv) resulted from the application of the discharge in the discharge cell 2 under a reduced pressure, when the discharge noises minimized. 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. Reached the threshold sensitivity of the device to discharge the noise level of the order of 10 ppbv, which can detect the disease at an early stage when still possible to avoid the use of insulin therapy for life.

Для нормировки полезного сигнала использовалось уменьшение тока разряда, который снижался вследствие уменьшения температуры и подвижности электронов разряда из-за их столкновений с молекулами воды. For the normalization of the desired signal using a discharge current reduction, which decreased due to the reduction of the discharge temperature and the electron mobility due to their collisions with water molecules. Это уменьшение может быть экстрагирован непосредственно из-за источника питания, поэтому в предлагаемом способе нет необходимости использования дополнительных спектрографов или фотоприемников. This reduction may be extracted directly from the source of power, however in the present process there is no need of using additional photodetectors or spectrographs.

Клинические испытания предлагаемого технического решения проводились в НИИ физиологии и фундаментальной медицины СО РАМН. Clinical trials of the proposed technical solutions conducted at the Research Institute of Physiology and Medicine fundamental RAMS. 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. The tests involved three patients, two of whom had diabetes for 10 years, was the third in the initial stage of the disease compensated insulin deficiency in the body.

Перед проведением каждого измерения снимался эмиссионный спектр воздуха помещения, который брался в качестве опорного. Before each measurement shot emission spectrum of the ambient air, which was taken as a reference. Далее, производился анализ крови с целью установления уровня глюкозы в крови каждого больного. Further, blood test was performed to determine the level of glucose in the blood of each patient. Анализ крови на сахар в крови производился на приборе Yellow Springs Instruments. Analysis of blood sugar in the blood was carried out on the device Yellow Springs Instruments. Затем просили пациентов просто дышать в объем предварительной подготовки пробы до достижения нужного потока исследуемого воздуха в линии отборы пробы устройства. Then the patients were asked to simply breathe in the volume of pre-treatment of the sample to achieve a desired flow of air in the test line of the selection device samples. Эти тесты были проведены для всех исследуемых пациентов натощак перед завтраком. These tests were performed for all study patients on an empty stomach before breakfast. Всего были протестированы двое больных пациента и один пациент, не имеющий заболевание диабетом. Only two patients of the patient and one patient were tested with no diabetes.

На фиг. FIG. 4 показан типичный эмиссионный спектр, полученный у одного из пациентов, болеющего диабетом в течение десяти лет. 4 shows a typical emission spectrum obtained from one of the patients with diabetes for ten years. На графике хорошо видны характерные спектральные линии ацетона подобные тем, которые представлены на фиг. The graph clearly shows the characteristic spectral line of acetone such as those shown in FIG. 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. 2. A line in 337 nm corresponds to a molecular gas NO, which is the biomarker for diseases such as cancer of the digestive organs, asthma, and gastritis. In the range from 350 to 430 nm are broad spectral bands corresponding to methane, which is an indicator of gastrointestinal disorders tract of a patient. Отметим, полное отсутствие линий воды, не смотря на то, что водяные пары в дыхании составляют заметную долю. Note the complete absence of water lines, in spite of the fact that water vapor in the breath make up a significant share. В эмиссионном спектре также имеется ряд неидентифицированных молекулярных полос и линий, которые требуют дальнейшего исследования. The emission spectrum also has a number of unidentified molecular bands and lines, which require further study. Измеренная зависимость концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе пациента от концентрации глюкозы в крови представлена на фиг. The measured acetone concentration dependence in the patient's exhaled air from the blood glucose concentration is shown in FIG. 5. Каждая точка этой зависимости представляет собой отдельное измерение для одного пациента. 5. Each point of this dependence represents a separate measurement for a patient. Крайняя левая точка является результатом измерения условно здорового человека. Leftmost point is the result of the measurement of healthy person. Погрешность измерения концентрации ацетона достаточно мало и представляет собой статистическую ошибку устройства, а погрешность измерения уровня глюкозы в крови взята из литературы. Deviation acetone concentration is sufficiently small and is a statistical error of the device and the blood glucose level measurement error is taken from literature.

Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что в качестве несущего газа используется сам выдыхаемый воздух пациента пониженного давления. An advantage of the invention is that as carrier gas air is used exhaled patient himself reduced pressure. Это позволило значительно упростить и удешевить устройство и избежать необходимости применения тяжелых, опасных и дорогих баллонов высокого давления. This has greatly simplify and reduce the cost of the device and to avoid the need for heavy, dangerous and expensive pressure vessels. Пониженное давление воздуха в разряде позволило резко уменьшить уровень шумов разряда и тем самым существенно повысить чувствительность к определению сверхмалых концентраций ацетона. The reduced air pressure in the discharge possible to sharply reduce discharge noise and thereby significantly increase the sensitivity to the determination of acetone concentrations ultrasmall. Применение нормировки сигнала с использованием параметров разряда позволяет резко увеличить точность измерения содержание ацетона в дыхании больного, что видно из приведенных результатов. Application of the signal normalization using discharge parameters can dramatically increase the accuracy of measurement of the acetone content in the patient's breathing, which is evident from these results.

Так же представленное техническое решение может быть использовано для детектирования и мониторинга различных малых примесей в окружающем воздухе. Also presented technical solution can be used for detection and monitoring of a variety of small impurities in the ambient air. К ним относятся примеси паров взрывчатых и наркотических веществ, ртути, диоксина, примеси метана, ксенона, окиси азота и прочее. These impurities include explosive and narcotic vapors, mercury, dioxin, methane impurity, xenon, nitrous oxide and others.

Claims (2)

  1. 1. Способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента, включающий 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, отличающийся тем, что при этом дополнительно используют насос прокачки, выполненный для пониж 1. A method for monitoring small impurities of acetone in the breath of a patient comprising the use of a power source, spectrometer discharge cell line sampling, analysis and processing unit, the implementation sampling air exhaled by the patient, followed by feeding it into the selection line samples, initiating discharge in the discharge cell , recording the emission spectrum, the emission spectrum of analyzing a sample of the exhaled air of the patient, characterized in that the method further pumping using a pump configured to UNDERVOLTAGE ния 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 инициирование разряда в разрядной ячейке осуществляют при пониженном давлении, анализирование эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха пациента выполняют посредством нормиро Nia pressure of exhaled patient air in a discharge cell line sampling equipped with an adjustable valve, in addition, further comprising control leakage of exhaled patient air through the sample line controlled valve is carried decompression exhaled patient air in the discharge cell pumping pump and the discharge is initiated in the discharge cell is carried out under reduced pressure, analyzing the emission spectrum of the sample of exhaled air of the patient is performed by valuation вки интенсивности этого эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента. Application of the intensity of the emission spectrum of the concentration of water vapor in the breath of the patient.
  2. 2. Устройство для мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента, содержащее источник питания, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, блок анализа и обработки, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено насосом прокачки, выполненным 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 2. The device for monitoring small impurities of acetone in the breath of a patient, comprising a power source, a spectrometer, a discharge cell line sampling, analysis and processing unit, characterized in that it is additionally equipped with a pump pumping formed to reduce patient exhaled air pressure in the discharge cell, wherein the sampling line is equipped with an adjustable valve is formed, and the analysis and processing unit is carrying out the normalization of the intensity of the emission spectrum of the concentration of water vapor in ыдыхаемом воздухе пациента. ydyhaemom air patient.
RU2015128845A 2015-07-15 2015-07-15 Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation RU2597943C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015128845A 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
RU2015128845A 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
RU2015128845A 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)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Španěl et al. Selected ion flow tube: a technique for quantitative trace gas analysis of air and breath
Diskin et al. Time variation of ammonia, acetone, isoprene and ethanol in breath: a quantitative SIFT-MS study over 30 days
US20030023170A1 (en) Optically similar reference samples and related methods for multivariate calibration models used in optical spectroscopy
US7330746B2 (en) Non-invasive biochemical analysis
US6615151B1 (en) Method for creating spectral instrument variation tolerance in calibration algorithms
Ma et al. QEPAS based ppb-level detection of CO and N 2 O using a high power CW DFB-QCL
US4083367A (en) Method and apparatus for pulmonary function analysis
Ermakov et al. Noninvasive selective detection of lycopene and β-carotene in human skin using Raman spectroscopy
Goetz et al. Application of a multivariate technique to Raman spectra for quantification of body chemicals
Wang et al. A study on breath acetone in diabetic patients using a cavity ringdown breath analyzer: exploring correlations of breath acetone with blood glucose and glycohemoglobin A1C
US6778269B2 (en) Detecting isotopes and determining isotope ratios using raman spectroscopy
Smith et al. Volatile metabolites in the exhaled breath of healthy volunteers: their levels and distributions
US20070112258A1 (en) Standardization methods for correcting spectral differences across multiple spectroscopic instruments
Turner et al. A longitudinal study of breath isoprene in healthy volunteers using selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS)
Smith et al. The challenge of breath analysis for clinical diagnosis and therapeutic monitoring
Wang et al. Analysis of breath, exhaled via the mouth and nose, and the air in the oral cavity
WO2003016882A1 (en) Measuring a substance in a biological sample
US20090270700A1 (en) Non-invasive glucose sensor
US5341206A (en) Method for calibrating a spectrograph for gaseous samples
US20030176804A1 (en) Method and apparatus for monitoring respiratory gases during anesthesia
Turner et al. Breath acetone concentration decreases with blood glucose concentration in type I diabetes mellitus patients during hypoglycaemic clamps
Turner et al. An exploratory comparative study of volatile compounds in exhaled breath and emitted by skin using selected ion flow tube mass spectrometry
Wang et al. Breath analysis using laser spectroscopic techniques: breath biomarkers, spectral fingerprints, and detection limits
Li et al. Application of near infrared spectroscopy for rapid analysis of intermediates of Tanreqing injection
Hanf et al. Fiber-enhanced Raman multigas spectroscopy: a versatile tool for environmental gas sensing and breath analysis