RU39471U1

RU39471U1 - NMR DIAGNOSTICS DEVICE

Info

Publication number: RU39471U1
Application number: RU2004114198/20U
Authority: RU
Inventors: Е.А. Протасов; Д.Е. Протасов
Original assignee: Протасов Евгений Александрович; Протасов Дмитрий Евгеньевич
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2004-08-10

Abstract

Полезная модель относится к области исследования или анализа материалов, в частности к определению количества глюкозы релаксации Tв крови.Техническим результатом полезной модели является возможность неинвазивной диагностики для любых (в том числе и инфицированных) пациентов, повышение точности и сокращение времени измерений, расширение функциональных возможностей прибора.Технический результат достигается тем, что в устройстве ЯМР - диагностики, генератор изменения магнитного поля выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов, а магнитное поле выполнено с неоднородностью порядка 10.The utility model relates to the field of research or analysis of materials, in particular to the determination of the amount of glucose for relaxation of T blood. The technical result of the utility model is the possibility of non-invasive diagnostics for any (including infected) patients, increasing accuracy and reducing measurement time, expanding the device’s functionality The technical result is achieved by the fact that in the NMR diagnostic device, the magnetic field change generator is made in the form of a rectangular pulse generator, and the magnetic field is made with an inhomogeneity of the order of 10.

Description

Полезная модель относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности путем определения времени спин-решеточной (продольной) релаксации T₁ в крови с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР).A utility model relates to the field of research or analysis of materials by determining their chemical or physical properties, in particular by determining the spin-lattice (longitudinal) relaxation time T ₁ in the blood using nuclear magnetic resonance (NMR).

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее монокулярную трубу, строго фиксированной длины 330 нм, в которой расположены источники спектрального излучения, выполненные в виде светодиодов АЛ 360 красного и желтого цвета. Патент Российской Федерации №2023270, МПК: G 01 N 33/66, 1994г.A device for non-invasive determination of sugar content in human blood, containing a monocular tube, a strictly fixed length of 330 nm, in which there are sources of spectral radiation, made in the form of AL 360 LEDs in red and yellow. Patent of the Russian Federation No. 2023270, IPC: G 01 N 33/66, 1994.

На глаз пациента с нормальным цветовосприятием воздействуют фиксированной пиковой яркостью импульсов желтого и красного цветов, определяют критическую частоту слияния мельканий, а затем рассчитывают искомую концентрацию. Устройство дает возможность определить отклонение содержания глюкозы в крови по величине производной.A normal peak brightness of yellow and red pulses is applied to the patient’s eye with normal color perception, the critical flicker fusion frequency is determined, and then the desired concentration is calculated. The device makes it possible to determine the deviation of glucose in the blood by the value of the derivative.

Применение устройства ограничено при нарушении цветовосприятия, при миопии и гиперметропии, когда глаз перестает быть оптическим прибором.The use of the device is limited in violation of color perception, with myopia and hyperopia, when the eye ceases to be an optical device.

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик и анализатор, датчик выполнен в виде высокочастотного генератора, анализатор в виде измерительного моста и чувствительный индуктивный элемент, включенный в диагональ моста.A device for non-invasive determination of sugar content in human blood, comprising a sensor and an analyzer, the sensor is made in the form of a high-frequency generator, the analyzer is in the form of a measuring bridge and a sensitive inductive element included in the diagonal of the bridge.

Измерения и анализ проводят с использованием высокочастотных колебаний, посредством воздействия пальца руки на Measurements and analysis are carried out using high-frequency oscillations, through the influence of a finger on

чувствительный индуктивный элемент анализатора. Патент Российской Федерации №2088927, МПК: G 01 N 33/49, 1997г.sensitive inductive element of the analyzer. Patent of the Russian Federation No. 2088927, IPC: G 01 N 33/49, 1997.

В данном устройстве палец человека является сердечником, изменяющим индуктивность чувствительного элемента анализатора.In this device, the human finger is a core that changes the inductance of the analyzer sensitive element.

Эти изменения зависят от размеров пальца, от поверхности кожного покрова, которая может быть и мягкой, и грубой, что привносит существенные изменения в индуктивность.These changes depend on the size of the finger, on the surface of the skin, which can be soft or rough, which brings significant changes in inductance.

Известно устройство ЯМР - диагностики для определения содержания сахара в крови человека, содержащее анализатор на основе ЯМР - спектрометра, генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор синусоидальных колебаний для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком ЯМР, микропроцессор, блок программного управления. Патент Российской Федерации на полезную модель №33235, МПК: G 01 N 33/49, А 61 В 5/00, 2003г. Прототип.A known NMR diagnostic device for determining the blood sugar of a person, comprising an analyzer based on an NMR spectrometer, a magnetic field generator with coils, a sinusoidal oscillator for low frequency modulation with external coils, a high frequency weak oscillator connected to the NMR sensor, a microprocessor, program control unit. Patent of the Russian Federation for utility model No. 33355, IPC: G 01 N 33/49, A 61 B 5/00, 2003 Prototype.

Аналоги не обладают высокой точностью оценки содержания глюкозы в крови, а прототип дает возможность определить только содержание сахара в крови.Analogs do not have high accuracy in estimating blood glucose, and the prototype makes it possible to determine only the blood sugar.

Полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.The utility model eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Техническим результатом полезной модели является возможность неинвазивной диагностики для любых (в том числе инфицированных) пациентов, повышение точности и сокращение времени измерений, расширение функциональных возможностей прибора.The technical result of the utility model is the possibility of non-invasive diagnosis for any (including infected) patients, increasing accuracy and reducing measurement time, expanding the functionality of the device.

Технический результат достигается тем, что в устройстве ЯМР -диагностики, содержащем генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор импульсов низкочастотной модуляции с катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, датчик The technical result is achieved by the fact that in the NMR diagnostic device containing a generator for changing a magnetic field with coils, a low-frequency modulation pulse generator with coils, a high-frequency generator of weak oscillations, a sensor

ЯМР для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, магнит и компьютер, в качестве генератора изменения магнитного поля установлен генератор прямоугольных импульсов, а магнит выполнен с неоднородным магнитным полем в соответствии с условием:Finger NMR, a sound frequency modulating voltage generator with external coils, a sound frequency amplifier, a magnet and a computer, a rectangular pulse generator is installed as a magnetic field change generator, and the magnet is made with a non-uniform magnetic field in accordance with the condition:

2·10^-4<δH₀/H₀<10^-1, Н₀=Н_р, H_p=f/γ, где:2 · 10 ^-4 <δH ₀ / H ₀ <10 ^-1 , H ₀ = N _p , H _p = f / γ, where:

δН₀ - неоднородность магнитного поля,δH ₀ is the inhomogeneity of the magnetic field,

Н₀ - напряженность постоянного магнитного поля,H ₀ - the intensity of the constant magnetic field,

f - частота высокочастотного генератора,f is the frequency of the high-frequency generator,

γ - гиромагнитное отношение (для ядер водорода γ=42,58 МГц/Тл),γ is the gyromagnetic ratio (for hydrogen nuclei γ = 42.58 MHz / T),

Н_р - резонансное значение магнитного поля. Сущность полезной модели поясняется на фиг.1-3. На фиг.1 схематично представлена блок-схема измерений, где введены обозначения: 1 - исследуемый образец, в частности палец, 2 - катушка-датчик, 3 - генератор высокочастотных колебаний, 4 - генератор звуковой частоты, 5 - катушки модуляции магнитного поля, 6 - катушки для создания импульса магнитного поля, 7 - генератор прямоугольных импульсов, 8 - амплитудный детектор, 9 - предварительный усилитель, 10 - резонансный усилитель, 11 -компьютер, 12 - магнит. На фиг.2 представлена диаграмма для определения времени релаксации t₁ для цельной крови. На фиг.3 представлена диаграмма следования полученных импульсов для определения ритмов сердца.H _p is the resonant value of the magnetic field. The essence of the utility model is illustrated in figures 1-3. Figure 1 schematically shows a measurement flow chart, where the designations are introduced: 1 - a test sample, in particular a finger, 2 - a sensor coil, 3 - a high-frequency oscillation generator, 4 - an audio frequency generator, 5 - magnetic field modulation coils, 6 - coils for creating a magnetic field pulse, 7 - a rectangular pulse generator, 8 - an amplitude detector, 9 - a preliminary amplifier, 10 - a resonant amplifier, 11 - a computer, 12 - a magnet. Figure 2 presents a diagram for determining the relaxation time t ₁ for whole blood. Figure 3 presents a sequence diagram of the received pulses for determining heart rhythms.

Основой определения содержания сахара в крови человека, включающий измерения на основе ЯМР-диагностики времени релаксации T₁, является прямая зависимость этого времени от концентрации глюкозы в крови.The basis for determining the blood sugar level of a person, including measurements based on NMR diagnostics of the relaxation time T ₁ , is the direct dependence of this time on the concentration of glucose in the blood.

Палец руки человека представляет собой идеальный объект для измерений. В пальцах имеется множество капилляров, в которых The human finger is an ideal object for measurements. There are many capillaries in the fingers in which

скорость движения крови небольшая 0,5-1,2 мм/с, это сводит к минимуму влияние артефактов от движения. Отношение объема, занимаемого межклеточной жидкостью, кровью и мышечной тканью, к объему, занимаемому костной тканью достаточно большое. Это позволяет получать амплитуды сигналов ЯМР от жидкостной компоненты пальца достаточные для дальнейшего усиления и обработки. Состав межклеточной жидкости и крови по отношению к глюкозе совершенно идентичен. От костной ткани сигнал ЯМР не возникает, поскольку в ней нет свободных протонов. Для мышечной ткани время релаксации t₁ около 0,05 сек, и изменения количества этой ткани, которые могут быть у разных людей, не вносят заметных изменений в величину времени релаксации t₁. Таким образом, при регистрации сигнала от пальца, фактически измеряется сигнал от крови и межклеточной жидкости, а поскольку они по отношению к глюкозе идентичны по своему составу, то поведение времени релаксации T₁ непосредственно связано с концентрацией глюкозы в крови человека. Палец выполняет функцию сосуда, не влияющего на измерения диагностических параметров.the speed of blood movement is small 0.5-1.2 mm / s, this minimizes the effect of artifacts on movement. The ratio of the volume occupied by intercellular fluid, blood and muscle tissue to the volume occupied by bone tissue is quite large. This allows you to obtain the amplitudes of the NMR signals from the liquid components of the finger sufficient for further amplification and processing. The composition of the intercellular fluid and blood with respect to glucose is completely identical. There is no NMR signal from bone tissue, since there are no free protons in it. For muscle tissue, the relaxation time t _{1 is} about 0.05 seconds, and changes in the amount of this tissue that may be in different people do not make noticeable changes in the value of the relaxation time t ₁ . Thus, when registering a signal from the finger, the signal from blood and intercellular fluid is actually measured, and since they are identical in relation to glucose in their composition, the behavior of the relaxation time T _{1 is} directly related to the concentration of glucose in human blood. The finger performs the function of a vessel that does not affect the measurement of diagnostic parameters.

Устройство работает следующим образом. Палец пациента 1 размещают в цилиндрической катушке-датчике 2, расположенной в неоднородном (~10^-2) магнитном поле, направление которого перпендикулярно к оси катушки. Разброс неоднородности магнитного поля обусловлен границами возможности измерений, чувствительности и точности измерений.The device operates as follows. The patient’s finger 1 is placed in a cylindrical coil-sensor 2 located in a non-uniform (~ 10 ^-2 ) magnetic field, the direction of which is perpendicular to the axis of the coil. The scatter of the inhomogeneity of the magnetic field is due to the boundaries of the possibility of measurements, sensitivity and accuracy of measurements.

Катушка-датчик 2 является задающим контуром генератора высокой частоты 3. Этот генератор малых колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью, благодаря которой поддерживается непрерывная генерация.The sensor coil 2 is the master circuit of the high-frequency generator 3. This small-oscillation generator is an amplifier with positive feedback, due to which continuous generation is supported.

Схема чувствительна к небольшим изменениям добротности контура. Магнитное поле модулируют с помощью генератора звуковой частоты 4 и соответствующих катушек 5, размещенных в магните (в экспериментальной установке эта частота равна 5000Гц). Напряженность неоднородного рабочего магнитного поля обычно меньше резонансного значения. Напряженность магнитного поля может быть и больше резонансного значения это зависит от знака магнитного поля, создаваемого импульсным генератором или условиями подключения катушек 6 к генератору импульсов тока 7.The circuit is sensitive to small changes in the quality factor of the circuit. The magnetic field is modulated using an audio frequency generator 4 and corresponding coils 5 placed in a magnet (in an experimental setup this frequency is 5000 Hz). The intensity of the inhomogeneous working magnetic field is usually less than the resonance value. The magnetic field strength may be greater than the resonant value, it depends on the sign of the magnetic field created by the pulse generator or the conditions for connecting the coils 6 to the current pulse generator 7.

В общем случае резонанс достигается при изменении напряженности магнитного поля путем подачи импульса тока на катушки 6 от генератора импульсов тока 7.In the General case, the resonance is achieved by changing the magnetic field by applying a current pulse to the coil 6 from the current pulse generator 7.

Резонансные условия определяются формулой f=γ·Н_р, где f -частота высокочастотного генератора, Н_р - напряженность резонансного магнитного поля, γ - гиромагнитное отношение (для протонов γ=42,58 МГц/Тл).The resonance conditions are determined by the formula f = γ · H _p , where f is the frequency of the high-frequency generator, H _p is the intensity of the resonant magnetic field, γ is the gyromagnetic ratio (for protons γ = 42.58 MHz / T).

На катушки 6, расположенные в электромагните или в постоянном магните 12 от генератора импульсов 7 подают прямоугольный импульс тока, чтобы возникающее в катушках 6 магнитное поле сложилось с постоянным полем магнита 12 и заведомо превысило бы резонансное значение Нр.A rectangular current pulse is supplied to the coils 6 located in the electromagnet or in the permanent magnet 12 from the pulse generator 7, so that the magnetic field arising in the coils 6 is added to the constant field of the magnet 12 and obviously exceeds the resonance value Нр.

Передний фронт этого импульса должен быть значительно меньше, чем время (γ·δН₀)^-1, где δН₀ - неоднородность магнитного поля. Напряженность создаваемого поля в катушках 6 зависит от того, насколько мы отстоим от резонанса. Время прохождения через резонанс определено фронтом импульса, поэтому фронт импульса должен быть по возможности меньше и не превышать время The leading edge of this pulse should be much shorter than the time (γ · δН ₀ ) ^-1 , where δН ₀ is the magnetic field inhomogeneity. The intensity of the created field in the coils 6 depends on how far we are from the resonance. The transit time through the resonance is determined by the pulse front, therefore, the pulse front should be as small as possible and not exceed the time

релаксации. В нашем случае фронт импульса составил около 1 млсек.relaxation. In our case, the pulse front was about 1 mlsec.

В момент наступления ядерного магнитного резонанса изменяется добротность катушки и происходит модуляция высокочастотного поля по амплитуде. Сигнал поступает с контура генератора высокой частоты 3 на амплитудный детектор 8, где преобразуется в низкочастотный сигнал переменного тока - сигнал ЯМР, который представляет собой один импульс или череду импульсов.At the onset of nuclear magnetic resonance, the quality factor of the coil changes and the amplitude of the high-frequency field is modulated. The signal comes from the circuit of the high-frequency generator 3 to the amplitude detector 8, where it is converted into a low-frequency AC signal - an NMR signal, which is a single pulse or a series of pulses.

Если необходимо измерить время релаксации T₁, то амплитуду импульса выбирают такой, чтобы создаваемое соответствующими катушками магнитное поле было больше, чем резонансное значение. Если же необходимо измерить ритмы работы сердца, то амплитуду импульса генератора 7 выбирают такой, чтобы результативное (суммарное) поле соответствовало резонансному значению в пределах указанной выше неоднородности. Длительность импульса выбирают исходя из соображения экономии времени. Для измерения времени релаксации t₁ достаточным является условие, при котором длительность импульса равна удвоенному времени релаксации. При измерении ритмов работы сердца длительность импульса выбирают с учетом возможного проведения статистического анализа погрешности измерений. Опыт показал, 10-15 сек вполне достаточно, для такого анализа.If it is necessary to measure the relaxation time T ₁ , then the pulse amplitude is chosen such that the magnetic field created by the respective coils is greater than the resonance value. If it is necessary to measure the rhythms of the heart, then the amplitude of the pulse of the generator 7 is chosen so that the effective (total) field corresponds to the resonant value within the above heterogeneity. The pulse duration is selected on the basis of saving time. To measure the relaxation time t _{1, a} sufficient condition is that the pulse duration is equal to twice the relaxation time. When measuring the rhythms of the heart, the pulse duration is chosen taking into account the possible statistical analysis of the measurement error. Experience has shown that 10-15 seconds is enough for such an analysis.

Сигнал ЯМР, если это необходимо, подают на предварительный усилитель 9 и узкополосный усилитель 10, настроенный на звуковую частоту (в нашем случае такая частота 5000 Гц). Затем сигнал передают в компьютер 11. Компьютер 11 обрабатывает полученные сигналы, и выдает результат в виде показателя степени экспоненты, характеризующей время релаксации t₁ сравнивает с The NMR signal, if necessary, is fed to a pre-amplifier 9 and a narrow-band amplifier 10 tuned to an audio frequency (in our case, such a frequency is 5000 Hz). Then the signal is transmitted to computer 11. Computer 11 processes the received signals, and gives the result in the form of an exponent that characterizes the relaxation time t ₁ compares

градуировочными (эталонными) измерениями или выдает параметры, характеризующие ритмы работы сердца.calibration (reference) measurements or provides parameters that characterize the rhythms of the heart.

С помощью устройства, представленного на фиг.1, обеспечивается высокая чувствительность. От импульсного генератора 7 на катушки 6 подали импульс тока с длительностью больше секунды (для измерения времени релаксации длительность импульса должна быть в 4-5 раз больше, чем время релаксации). В данном случае длительность импульса тока составила 5 сек. Одиночный импульс (фиг.4), характеризует время релаксации крови человека. Группа импульсов (фиг.5) демонстрирует ритмы работы сердца. Из этой диаграммы следует, что период деятельности сердца равен около 0,9 сек. Расстояние между импульсами 0,2 сек, а время релаксации в крови составило 0,48 сек.Using the device shown in figure 1, provides high sensitivity. A current pulse with a duration of more than a second was applied to the coils 6 from the pulse generator 7 (for measuring the relaxation time, the pulse duration should be 4-5 times longer than the relaxation time). In this case, the current pulse duration was 5 seconds. A single impulse (figure 4), characterizes the relaxation time of human blood. A group of pulses (figure 5) shows the rhythms of the heart. From this diagram it follows that the period of activity of the heart is about 0.9 seconds. The distance between the pulses is 0.2 seconds, and the relaxation time in the blood was 0.48 seconds.

Claims

1. NMR diagnostic device comprising a magnetic field change generator with coils, a low-frequency modulation pulse generator with coils, a high-frequency weak oscillation generator, and a finger NMR sensor made in the form of a coil, a sound frequency modulating voltage generator with remote coils, an audio amplifier frequency, magnet and computer, characterized in that a rectangular pulse generator is installed as a generator for changing the magnetic field, and the magnet is made with an inhomogeneous magnetic field.

2. The NMR diagnostic device according to claim 1, characterized in that the magnet with an inhomogeneous magnetic field is made in accordance with the condition

2 · 10 ^-4 <δH ₀ / H ₀ <10 ^-1 , H ₀ = H _p , H _p = f / γ,

where δН ₀ is the inhomogeneity of the magnetic field;

H ₀ - the intensity of the constant magnetic field;

f is the frequency of the high-frequency generator;

γ is the gyromagnetic ratio (for hydrogen nuclei, γ = 42.58 MHz / T);

H _p is the resonant value of the magnetic field.