RU2784291C1 - Способ экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса. Способ включает контроль параметров пациента. При этом контроль данной фазы осуществляют путем подсчета числа наночастиц с использованием оптического счетчика частиц в диапазоне размеров частиц 0,05-0,55 мкм в отобранной для тестирования непосредственно из струи выдыхаемого пациентом воздуха порции воздуха. В случае превышения порогового значения в ней принимают решение о наличии вирусного заболевания в фазе активного выделения вируса. Пациент осуществляет выдох в емкость, снабженную средством перемешивания повторно выдыхаемого воздуха. Подсчет числа наночастиц производится в порции воздуха, отобранной из данной емкости. Техническим результатом является надежная экспресс-диагностика вирусных заболеваний, передающихся аэрозольным путем, и повышение скорости тестирования. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для экспресс-диагностики вирусных заболеваний, таких как COVID-19, корь, ветрянка и иных в фазе активного выделения вируса, распространяющихся, главным образом, аэрозольным путем.

Известен целый ряд способов диагностики подобных инфекционных заболеваний.

В частности, патент CN 111999508 A Diagnostic marker and application thereof in COVID-19 diagnosis and coronavirus previous infection detection, G01N 33/543; G01N 33/569; G01N 33/58; G01N 33/68, 2020-11-27. Изобретение раскрывает диагностический маркер и применение диагностического маркера в диагностике COVID-19 и обнаружении предшествующей инфекции коронавируса. Диагностический маркер включает пептидный фрагмент COVID19-V001, аминокислотная последовательность пептидного фрагмента COVID19-V001 представляет собой последовательность, содержащую пять или более непрерывных аминокислот в FKEELDKYFKNH, или аминокислотная последовательность пептидного фрагмента COVID19-V001 представляет собой последовательность образованную заменой, удалением, или добавлением одной или нескольких аминокислот в FKEELDKYFKNH. На основе диагностического маркера, предусмотренного в изобретении, принят непрямой метод для качественного определения уровня антитела IgG к антипептидному фрагменту в сыворотке крови человека. Набор для обнаружения, созданный на основе диагностического маркера, может использоваться как вспомогательное средство для диагностики коронавирусной болезни 2019 (COVID-19).

Однако, применение подобного маркера трудоемко, требует значительных затрат времени и поэтому не может быть использовано для экспресс-диагностики в реальном времени.

В Массачусетском технологическом институте разработана маска для определения COVID-19 (https://www.nature.com/articles/s41587-021-00950-3_), позволяющая быстро диагностировать коронавирусную инфекцию. Маска оборудована сенсорами, которые располагаются на внутренней стороне и определяют вирусные частицы в выдыхаемом воздухе. Данная маска безусловно полезна, особенно если сделана по классу FFP3 и препятствует распространению вирусных частиц, но при всей оперативности данный тест выдает информацию пользователю только через 90 минут, что нельзя считать приемлемым временем для экспресс-диагностики.

В патенте AU 2020102228 (A4), А61В 5/01; А61В 5/08; А61В 5/1455; G06N 20/00; G16H 50/20; G16H 50/80, 2020-10-29 описана система экспресс-диагностики коронавируса.

Изобретение использует искусственный интеллект и позволяет измерить сатурацию кислорода и температуру пациента. Система включает также испытательный стенд, который имеет стетоскопы, подключенные к микрофону для прослушивания и записи дыхания звуков пациента, пульсоксиметр для измерения уровня насыщения крови кислородом, инфракрасный датчик температуры для измерения температуры пациента и компьютер, который состоит из программного обеспечения машинного обучения для объединения и анализа всех показаний для получения окончательного результата.

Этот способ является наиболее близким к предложенному.

В данном решении инфекционная фаза вирусного заболевания диагностируется по одновременному появлению ряда косвенных признаков.

Известно, что так же диагностируют корь, краснуху или ветряную оспу (см. Агафонов А.П. и др. Корь. Современные представления о возбудителе. Клиника, диагностика, профилактика. С. 14. https://www.mbu.ru/assets/files/kor.pdf).

Однако, данный способ лишь очень приблизительно свидетельствует о главном факторе - опасности больного для окружающих, так как не указывает непосредственно на фазу активного выделения вируса больным. Да и в целом точность данного способа невелика, если только совокупность косвенных признаков не оценивает опытный врач.

Следует полагать, что при контроле инфекций, в том числе передающихся аэрозольно, современное человечество с очевидностью пойдет по высокотехнологичному и трудоемкому пути создания специализированных биочипов для определения конкретных вирусов. Но экономическое расслоение стран и народов делает необходимым рассмотрение технологически более доступных и общих методов экспресс-диагностики для борьбы с пандемией (хотя попытка осчастливить человечество, пытающееся себя убить, предоставив для контроля инфекций более доступные и распространенные средства - едва ли является решением).

Разработка и использование малозатратных способов, определяющих наличие у инфицированного человека именно активной фазы выделения вируса в реальном времени, пусть и без конкретной спецификации последнего, целесообразна, по крайней мере, по нескольким причинам. Поясним на примерах: активная фаза может начаться при почти бессимптомном течении болезни, например, у пассажира на третьем часу авиаперелета, что может вызвать последующее заражение у большей части присутствовавших. С другой стороны, выявление и контроль истиной длительности активной фазы выделения позволяет не только улучшить изоляцию пациента в этот период в целях общей безопасности, но и наоборот, сократить время действия запретительных мер, что резко уменьшит влияние пандемии на экономику.

Инфицированный человек проходит несколько стадий заболевания и симптоматика очень индивидуальна. При этом наиболее опасная для окружающих стадия, когда инфицированный является активным распространителем вируса, может проходить без ярких симптомов (например, легкий насморк без температуры и существенного ухудшения самочувствия). Но даже при своей кратковременности эта стадия вносит существенный вклад при массовом заражении. Традиционные тесты, такие как ПЦР (полимеразная цепная реакция) и выявление антител в крови - недостаточно оперативны, а обычные средства защиты при аэрозольном распространении также малоэффективны. Предлагаемый способ призван решить данную проблему. При этом способ опирается на подтвержденный исследованиями факт выделения и передачи от человека к человеку отдельных вирусных частиц и их скоплений в виде аэрозоли (но не микрокапельным путем) в активной фазе заболевания.

В отношении COVID-19 на момент написания данного текста нет четкого представления об активной фазе выделения - ее интенсивности и продолжительности. Но следует полагать, что в природе вируса, передающегося аэрозольно, все должно быть оптимально предусмотрено, а именно: для распространения среди популяции нужны мобильные, почти здоровые тела (и легкомысленные головы, стремящиеся к максимуму публичных контактов). Таким образом, можно предположить, что кроме короткой активной фазы в варианте среднего и тяжелого течения болезни существует, в том числе, категория бессимптомных больных с усиленной функцией выделения, и именно они во многом определяют динамику пандемии. Вышесказанное подтверждается как анализом динамики заражения в общественном транспорте (с учетом того, что популярные маски FFP1 не защищают от указанных аэрозолей), так и измерения выделения частиц конкретными пациентами в замкнутом объеме (лаборатории, автомобиля и т.п.): тысячи за несколько выдохов.

Именно в присутствии таких распространителей (своего рода «суперспредов») заражение для всех находящихся в общем с ними объеме воздуха в слабых масках и при недостаточной вентиляции - почти гарантировано (существуют представления, что при пандемии этим незначительным процентом распространителей обеспечивается до 80% заражений), и именно их надо:

- определять в начале фазы выделения экспресс-тестом,

- одевать в маски класса FFP3 без клапанов,

- делать им ингаляцию препаратом, временно затрудняющим выделение вируса (влияющим на коэффициент поверхностного натяжения влаги легких и дыхательных путей и др.),

- требовать от них самоизоляции на 1-3 дня (?) с ношением упомянутой маски в помещении с тестированием и хорошей вентиляцией с НЕРА фильтром на выходе.

Причем периодическая экспресс-диагностика нужной степени достоверности покажет правильное время таких ограничений для пациента (что, видимо, достаточно индивидуально и может колебаться в диапазоне от 12 часов до 7-10 дней в экстремальных случаях).

Таким образом, целью данного решения является надежная экспресс-диагностика вирусных заболеваний, передающихся аэрозольным путем. Целью является также повышение скорости тестирования за счет применения новых, ранее не использовавшихся в диагностике вирусных заболеваний средств.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса, включающем контроль параметров пациента, наличие заболевания диагностируют по фазе активного выделения пациентом вирусов, а контроль данной фазы осуществляют путем подсчета числа наночастиц в диапазоне 0,05-0,55 мкм в отобранной для тестирования порции воздуха из окружающего пациента воздушного пространства, преимущественно струи выдыхаемого им воздуха, и в случае превышения порогового значения принимают решение о наличии вирусного заболевания.

При этом пороговым значением можно считать фоновое или статистически определенное для данного типа счетчика наночастиц в данных окружающих условиях.

Кроме того окружающим пациента пространством целесообразно считать область, отстоящую от его лица на 0,5-90 см.

Далее, в процессе подсчета наночастиц или непосредственно перед ним пациент может выполнять физические упражнения, интенсифицировать дыхание покашливанием, дыхательными упражнениями, выдыхать направленно.

Кроме того, подсчет количества наночастиц может производиться оптическим счетчиком наночастиц, который предварительно откалиброван на органический материал, в частности, липиды.

При этом подсчет наночастиц может производиться в нескольких диапазонах, а результирующее распределение может сопоставляться с таковым для того или иного вирусного заболевания, а по результатам сопоставления может делаться вывод о наличии и конкретном типе заболевания пациента.

Целесообразно также перед подсчетом числа наночастиц производить обдув пациента струями отфильтрованного воздуха или обеспечивать вдыхание им предварительно отфильтрованного воздуха или газа.

При этом выдох может осуществляться в емкость, в которой затем производится подсчет числа наночастиц.

Также на входе емкости может быть установлен мундштук для выдыхания ртом, соединенный с емкостью трубкой внутренним диаметром менее 10 мм.

Целесообразно также использовать емкость, снабженную средством перемешивания повторно выдыхаемого пациентом воздуха.

Кроме того, после подсчета числа наночастиц в порции воздуха на нее можно воздействовать температурой выше 100 градусов Цельсия, повторно осуществлять подсчет числа наночастиц в ней и полученное значение принимать в качестве порогового.

Указанная цель достигается также применением счетчика наночастиц для экспресс-диагностики вирусных заболеваний.

В предлагаемом способе мы исходим из концепции, что конструкция человеческого организма не предусматривает самостоятельную генерацию наночастиц (в отличие от дизельного мотора или песчаной бури), и что производство наночастиц - непростая и энергозатратная работа, заметная даже при плохой экологии. Состав выдоха человека зависит как от его состояния, так и от экологии места в части загрязненности РМ. Исследования заявителя подтверждают, что распространенное мнение о том, что здоровый человек в выдохе генерирует все фракции капельных аэрозолей - сильно преувеличено. В частности, в нормальном состоянии человек не является источником частиц в диапазоне 0,05-0,55 мкм, если это не вирусы (или конструкции из вирусов), а он - не заболевший человек, пусть и бессимптомно! Кроме того, оптимальный размер частиц для оседания в альвеолах, например, находится как раз в указанном диапазоне. Что же касается микрокапель: серьезному вирусу, ориентированному на аэрозольное распространение, не целесообразно в них участвовать (он связывается разве что с другими вирусами для образования удобных для полета и оседания частиц).

Этот тезис подтверждается проведенными нами исследованиями (см. фиг. 1). На фиг. 1 показано распределение частиц при выдохе здорового человека (возраст 30+) через клапан маски FFP3 (причем для дополнительного провоцирования выделения испытуемый принудительно кашляет при выдохе). По оси X в логарифмическом масштабе указан размер в мкм, а по оси Y - число частиц на единицу объема. Как видно из данной гистограммы, в диапазоне 0,1-0,55 мкм здоровый организм частиц не выделяет. Более того, дыхательная система выступает своего рода фильтром, на котором частично осаждаются пришедшие извне частицы таких размеров. Отметим, также, что по нашим данным полученное распределение мало зависит от возраста испытуемых (включая детей и категорию 50+ лет).

Содержание наночастиц в воздухе в непосредственной близости от здорового человека равно фоновому, поскольку он не является источником частиц в диапазоне 0,05-0,55 мкм. Однако, в определенной стадии вирусного заболевания концентрация отдельных вирусных частиц и их групп вокруг его головы, лица и, прежде всего, органов дыхания, и непосредственно в выдохе становится выше фоновой (пороговой) на величину, превышающую погрешность измерения и даже само фоновое значение в зависимости от типа и стадии заболевания, что позволяет надежно выявлять наличие активной фазы заболевания в течение нескольких секунд не только в стационаре, но и в потоке проходящих турникет пассажиров, например. При этом вирусные частицы больше указанного размера могут также выделяться заболевшим человеком, но в существенно меньших количествах, и представляют они собой главным образом поврежденные слепившиеся между собой вирусы, среди которых живые практически отсутствуют (по крайне мере, из таких фракций их не удается выделить). Именно поэтому для предлагаемого способа целесообразен анализ исключительно в указанном диапазоне размеров частиц.

В местности с относительно низким фоновым содержанием наночастиц отсчет может производиться от этого фонового значения. Если же экологическая обстановка не позволяет этого сделать (фоновое значение велико и меняется) повысить чувствительность способа можно, принимая за пороговое значение величину, определенную статистически, как среднее значение для числа пациентов в предположении, что заболевших меньшинство.

Именно в выдохе человека в активной фазе заболевания с выделением вирусных аэрозолей появляются дополнительные составляющие микрочастиц с размерами, характерными для данной группы заболеваний. Таким образом, для экспресс-диагностики необходимо создать условия, когда микрочастицы данного размера при выходе из организма наблюдаемы физическими методами и доступны для счета. При этом тип счетчика может быть любой, например: с градациями по яркости отражения (рассеяния) подсветки на одной или нескольких длинах волн (в том числе с разделением материалов частиц по коэффициенту преломления), с вихревым разделением фракций, регистрацией потенциалов на пористых мембранах и др. Важно лишь, что ведется подсчет частиц, именно выделенных организмом испытуемого, а не сторонними источниками в месте измерения (дизельный выхлоп автомобиля вблизи, тормоза поезда метро и др.). Наиболее просто превышение доли этих частиц над фоновым уровнем регистрируется в реальном времени, например, оптическим счетчиком наночастиц. Такой тест после выдоха в емкость занимает 10-20 секунд и в случае выявления превышения является признаком активной фазы заболевания. Подсчету частиц предшествует забор калиброванной порции воздуха (газа), что обеспечивается, например, встроенной помпой счетчика.

На фиг. 2 показано простейшее устройство для осуществления способа, в котором предусмотрена возможность обдува пациента чистым воздухом и многократного выдоха с целью повышения чувствительности.

Устройство (фиг. 2) содержит корпус 1 (емкость) с впускным патрубком 2 (последний может быть выполнен съемным, с тем, чтобы использовать одноразовый патрубок или, например, присоединять мундштук для выдоха ртом или маску) и впускным клапаном 3. В корпусе 1 установлены также счетчик наночастиц 4, микровентилятор 5 и выпускной клапан 6. Клапаны 3 и 6 обеспечивают поддержание в полости корпуса 1 небольшого избыточного давления при многократных выдохах в патрубок 2 одного пациента. Патрубок может быть выполнен как трубка небольшого диаметра (менее 10 мм) длиной 20-30 см для препятствования попаданию внутрь корпуса (емкости) посторонних масс и крупных частиц, например, при кашле пациента (для этой цели также может быть установлен дополнительный фильтр для частиц крупнее 1 мкм). Микровентилятор 5 образует воздушный поток 7, препятствующий осаждению наночастиц при многократных выдохах за время теста. Позицией 8 обозначен патрубок емкости с очищенным воздухом или газом для предваряющего тестирование обдува пациента или вдоха (вместо очищенного от нано- и микрочастиц воздуха допускается перед тестированием вдыхать таким же образом очищенный газ - азот, кислород и др.). Этим обеспечивается значительное снижение фоновых значений и повышение достоверности тестирования. Позиция 9 показывает место размещения пациента, а стрелки 10 - направление движения воздуха (обдува и выдоха).

При реализации способа возможно также использовать шлюз с подачей очищенного воздуха (например, с избыточным давлением) для индивидуального или группового прохода людей и индивидуального или группового забора масс выдоха с последующим анализом счетчиком 4 микрочастиц в заданном диапазоне размеров. Если по результатам тестирования имеется превышение над фоновым уровнем, выходная часть шлюза не открывается, а вместо нее открывается другой выход для препровождения на дальнейшее тестирование. Разумеется, одновременно в таком шлюзе может присутствовать датчик температуры, тепловизор с анализом температурного распределения по поверхности лица, контактный датчик пульса и др. Обработка результатов тестирования во всех случаях может осуществляться микроконтроллером.

Для выявления инфицированных в стационарных местах размещения с хорошей экологической обстановкой (воздух подается из системы кондиционирования с фильтром и содержит незначительное число наночастиц в единице объема), а именно, в средствах транспорта дальнего следования (самолеты, автобусы) и других местах размещения, оснащенных системами вентиляции с возможностью преимущественно индивидуального забора продуктов выдоха человека на данном месте (больничные палаты, офисы, залы ожидания в общественных местах и др.) для тестирования достаточно размещения оптического или иного счетчика в заборных устройствах вентиляции, либо портативного счетчика (4 с индикатором (дисплеем) 11, фиг. 2) у персонала. Результатом тестирования может быть разница показаний в отсутствие и в присутствии пассажира, уровень частиц непосредственно в его выдохе.

Если устройство забора отводимого воздуха оснащается не только счетчиком 4 наночастиц, откалиброванного на заданный диапазон размеров, но и интерфейсным устройством для передачи результатов замеров в центральный компьютер или оператору, при определении порогового уровня может использоваться информация о количестве частиц в исходном подаваемом при дыхании воздухе от аналогичного датчика в системе подачи или от датчиков незанятых мест (например, в салоне самолета), а также статистический метод для выявления группы с максимальными показателями выделения микрочастиц для дальнейшего индивидуального обследования.

Оптический счетчик 4 предварительно может быть откалиброван на органический материал частиц (например, липиды). Кроме того, он может быть тарирован на две и более градации в интересующем диапазоне размеров для получения более точного паттерна распределения в этом диапазоне - как критерия распознавания искомого события с учетом предварительных данных (например, вместо стандартной градации 0,2-0,5 мкм диапазон разбит на поддиапазоны 0,10-0,15 мкм, 0,15-0,25 мкм, 0,25-0,35 мкм, 0,35-0,55 мкм и по результатам подсчета в них оператор (или программа) убеждается, что, например, гистограмма распределения имеет вид треугольника с доминантой 0,15-0,25, что характерно для конкретного типа вируса).

В случае плохой экологической обстановки в месте измерения с большим количеством загрязнений, в том числе в интересующем диапазоне размеров микрочастиц, дополнительно обеспечиваем обдув человека (органов дыхания) струями предварительно отфильтрованного воздуха (или иным способом, предоставляя ему для вдоха очищенный воздух) для лучшей регистрации и выделения интересующего размера частиц в выдохе.

Для определения доли органического материала (отсечения вклада неорганических частиц) в интересующем диапазоне размеров в забранной пробе: после первого измерения прошедшая через первый счетчик 4 порция поступает в зону с высокой температурой, где испаряется вода и выжигается органика, после чего порция поступает на второй счетчик 4 и по изменению гистограммы судят о доле органики в данной пробе. Также возможно отожженную пробу контролировать повторно тем же счетчиком 4, вновь подавая на его вход после отжига.

Изложенное позволяет заключить, что конкретные возможные варианты выполнения устройства для экспресс-диагностики вирусных заболеваний в соответствии с предлагаемым способом весьма разнообразны, однако легко реализуемы исходя из приведенных выше рекомендаций с применением широко известных и простейших средств. Важным преимуществом является также то, что компактные приборы для подсчета частиц и определения превышения над заданным уровнем, объединенные в общую информационную сеть, могут быть расположены не только во входных шлюзах аэропортов и конференц-залов, но и в заборных устройствах вытяжной вентиляции индивидуальных посадочных мест или рядов кресел в самолетах, залах ожидания и др., что значительно облегчает определение вирусоносителей и организацию своевременной помощи.

Таким образом, предлагаемый способ один из немногих дает достаточно надежное средство практически мгновенной экспресс-диагностики носителей опасной фазы многих вирусных заболеваний.

Claims (8)

1. Способ экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса, включающий контроль параметров пациента, отличающийся тем, что контроль данной фазы осуществляют путем подсчета числа наночастиц с использованием оптического счетчика частиц в диапазоне размеров частиц 0,05-0,55 мкм в отобранной для тестирования непосредственно из струи выдыхаемого пациентом воздуха порции воздуха, и в случае превышения порогового значения в ней принимают решение о наличии вирусного заболевания в фазе активного выделения вируса, при этом пациент осуществляет выдох в емкость, снабженную средством перемешивания повторно выдыхаемого воздуха, и подсчет числа наночастиц производится в порции воздуха, отобранной из данной емкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пороговым значением считают фоновое или статистически определенное для данного типа счетчика наночастиц в данных окружающих условиях.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе подсчета наночастиц или непосредственно перед ним пациент выполняет физические упражнения, интенсифицирует дыхание покашливанием, дыхательными упражнениями, выдыхает направленно.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подсчет количества наночастиц производится оптическим счетчиком наночастиц, который предварительно откалиброван на липиды.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диапазон размеров наночастиц разбит на поддиапазоны, подсчет наночастиц производится в каждом поддиапазоне отдельно, а полученное распределение сопоставляется с таковым для данного вирусного заболевания и по результатам сопоставления делается вывод о наличии и конкретном типе вирусного заболевания пациента.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подсчетом числа наночастиц производят обдув пациента струями отфильтрованного воздуха или обеспечивают вдыхание им предварительно отфильтрованного воздуха или газа.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на входе емкости установлен мундштук для выдыхания ртом, соединенный с емкостью трубкой внутренним диаметром менее 10 мм.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после подсчета числа наночастиц в порции воздуха на нее воздействуют температурой выше 100 градусов Цельсия, повторно осуществляют подсчет числа наночастиц в ней и полученное значение принимают в качестве порогового.

Images