UA108756U - Спосіб неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінвмісній шкірі - Google Patents

Abstract

Спосіб неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінвмісній шкірі полягає в тому, що одночасно з контактним зондуванням, при якому аналізується дифузно розсіяне випромінювання, виконують дистанційне зондування і аналізують дзеркально відбите випромінювання.

Description

Корисна модель належить до медицини, а саме до діагностики біологічних параметрів поверхневих шарів шкіри, зокрема концентрації гемоглобіну і кровонаповнення, і може бути використаний в кардіології, анестезіології, хірургії, реанімації, неонатології, медицині катастроф та в спортивній медицині.

З рівня техніки відомо спосіб визначення сатурації крові киснем ША 31291 А (Спосіб визначення сатурації крові киснем, Мінов О.М., Кравченко В.Й., Плаксій Ю.С., Мамілов С.О., 2000), що включає опромінення біотканини світлом двох довжин хвиль та вимірювання для різних моментів часу інтенсивностей світлових сигналів цих довжин хвиль відбитих або пройшовших крізь біотканину зі змінним потоком крові, який відрізняється тим, що на вибраному часовому інтервалі знаходять коефіцієнт регресії логарифмів інтенсивностей цих світлових сигналів, а сатурацію крові розраховують по формулі.

Згідно з ОА 31291А, для виміру сатурації крові киснем опромінюють ділянку тіла (палець, мочку вуха тощо) світлом двох довжин хвиль 11 та 12, наприклад червоного та інфрачервоного (ІЧ) (660 нм та 900 нм), вимірюють інтенсивність (І, ) світла обох довжин хвиль, що пройшло крізь опромінену ділянку тіла, для двох різних моментів часу МИ і 2, наприклад, в точках мінімального та максимального значення сигналів за один кардіоцикл, знаходять відносний приріст сигналів кожної довжини хвилі та їх відношення.

Недоліком ОА 31291А є те, що він визначає лише відносну концентрацію оксигемоглобіну (сатурацію крові киснем) на основі припущення, що кров складається лише 3 окси- та деоксигемоглобіну. Тому в винаходах ОА 89354 С2 |Спосіб визначення відносної концентрації карбоксигемоглобіну в артеріальній крові, Мамілов С.0., Плаксій Ю.С., Єсьман С.С., 2010 та ОА 89355 С2 |Спосіб визначення відносної концентрації метгемоглобіну в артеріальній крові,

Мамілов 0.О0., Плаксій Ю.С, Єсьман С.С., 2010| запропоновано визначати рівень карбоксигемоглобіну та метгемоглобіну в артеріальній крові на основі світлових сигналів, що проходять крізь біотканину зі змінним потоком крові, та визначення на вибраному часовому інтервалі коефіцієнта регресії логарифмів значень цих світлових сигналів, який відрізняється тим, що вимірюють сигнали на трьох довжинах хвиль.

Згідно з А 89354 С2 та ОА 89355 С2 оптичне випромінювання трьох довжин хвиль постійної потужності по черзі випромінюється відповідними світлодіодами з частотою 400 Герц і

Зо після ослаблення в кровонаповненій тканині приймається фотоприймачем. Після цього прийнятий сигнал підсилюється в підсилювачі і за допомогою АЦП перетворюється в послідовність цифрових відліків, яка у вигляді файла знаходиться на жорсткому диску комп'ютера. Потім розраховують коефіцієнти регресії 821 ї В31 логарифмів значень світлових сигналів на другій та першій і на третій та першій довжинах хвиль, часовій інтервал обирають рівний 1 секунді.

При цьому в біооб'єкті формується просторовий оптичний канал, що нагадує за формою банан |Войтович І.П., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. - Інститут кібернетики, 2007. - 513 с, рис. 2.12, 2.24), який охоплює всі поверхневі шари шкіри, включаючи підшкірну жирову клітковину. Обчислення концентрації С гемоглобіну в шкірі здійснюється шляхом логарифмування відношення інтенсивності дифузійно розсіяних сигналів референтного Мі і вимірювального Мт каналів Х-М'/Мт відповідно до формули бо-аих-Б, (1) деа і Б - постійні, зумовлені конструкцією і режимом налагодження.

Цей пристрій взято за найближчий аналог. Його спільними рисами з пропонованим є направлене опромінювання шкіри (зондування) монохроматичними випромінюваннями з довжинами хвиль Аі-523ж27 нм; А2-850250 нм світловодом і формування вихідного оптичного сигналу шляхом направленого прийому зворотно розсіяних фотонів приймальним світловодом для подальшої їх реєстрації.

Проте, наявність в біотканині декількох оптичних поглиначів приводить до того, що оптичне випромінювання поглинається ними одночасно. Наприклад, при засмазі шкіри людини поглинання світла зеленого діапазону (520-570 нм) всередині шкіри відбувається як за рахунок загального гемоглобіну крові, так і за рахунок основного пігменту засмаги - меланіну. У цьому випадку, для роздільного визначення рівнів накопичення цих речовин в шкірі оптичними методами, освітлення необхідно проводити на декількох довжинах хвиль, використовуючи, наприклад, одну з довжин хвиль як опорну.

У винаході ША 89355 С2, який вибрано за прототип, застосовано оптичне випромінювання на трьох довжинах хвиль, але він не враховує наявність меланіну. Відмінність пропонованого способу від прототипу полягає в застосуванні лише двох довжин хвиль, але в додатковому використанні дзеркального відбиття, а також в тому, що в прототипі реєструють пропущене 60 світло, а в пропонованому - відбите. Таким чином, основний недолік відомого рівня техніки -

суттєве погіршення точності вимірів органів, шкіра яких містить меланін. Це пов'язане з тим, що меланін також сильно поглинає зондувальне випромінювання як і гемоглобін, що спотворює показання гемометра.

В основу корисної моделі поставлено задачу розробки способу виміру концентрації гемоглобіну, в якому вплив меланіну враховується за рахунок реєстрації рівня випромінювання, дзеркально відбитого від шкіри пацієнта, який залежить від концентрації меланіну в шкірі, і врахуванням дзеркально відбитого випромінювання при обчисленні концентрації гемоглобіну (у вимірювальній функції).

Поставлена задача вирішується шляхом 1) опромінення поверхні шкіри під певним кутом а, 2) додаткового опромінення шкіри віддаленим від її поверхні випромінювачем, 3) реєструють дзеркально відбите випромінювання, 4) обчислюють концентрацію гемоглобіну з урахуванням рівня дзеркально відбитого сигналу згідно з виразом:

С-бо0-спм-а, (2) де СО - концентрація гемоглобіну без урахування впливу меланіну (1), с і а - постійні, обумовлені конструкцією оптичної насадки пристрою і режимом його налагодження,

У-Мтв50/Мте - відношення дзеркально відбитих сигналів у вимірювальному каналі, Мт50 - середній або виміряний для даного пацієнта рівень сигналу вимірювального каналу, дзеркально відбитого від незасмаглого органу, у якому відсутній меланін, Мтеє - рівень сигналу вимірювального каналу, дзеркально відбитого від засмаглого органу, у якому наявний меланін.

Відмітними ознаками запропонованого способу є: - Опромінювання поверхні біотканини під певним кутом а передавального світловода- оптоволокна відносно поверхні шкіри, наприклад, х5ха«30". - Другою ознакою запропонованого способу є додаткове дистанційне опромінення об'єкта, що тестується, за допомогою випромінювача, віддаленого від її поверхні на відстань п не менше 0,370, де О - діаметр діафрагми, і урахування дистанційно прийнятого сигналу по формулі (3) р-с"пу-ай, (3)

Зо де позначення пояснені під формулою (2). - Третьою ознакою способу є вираз для обчислення концентрації (2) по рівнях прийнятих дифузно і дзеркально відбитих сигналів.

Технічний результат полягає у підвищенні точності вимірювань концентрації гемоглобіну за рахунок коригування величини концентрації на величину похибки, яка вноситься меланіном.

Короткий опис креслень:

Фіг. 1 - Схеми контактного і дистанційного зондування у випадку використання оптоволокон в обох світловодах: КЗ та ДЗ - положення біооб'єкта при контактному та дистанційному зондуванні, А та Б - передавальний та приймальний світловоди, Пп - відстань дистанційного зондування, Г. - відстань між осями передавального та приймального світловодів, «а - кут, під яким опромінюють поверхню біотканини, ВД - кут скосу робочої поверхні насадки.

Фіг. 2 - Етапи пропонованого способу: 1 - контактне (дифузне) зондування; 2 - запис результатів дифузного зондування в пам'ять, З - опускання і фіксація положення насадки, 4 - дистанційне (дзеркальне) зондування, 5 - запис результатів дистанційного зондування в пам'ять; 6 - обчислення концентрації, 7 - індикація концентрації, 8 - повернення насадки у вихідне положення.

Суть пропонованого способу що заявляється, в основній реалізації пояснюється Фіг. 1-2.

Пристрій складається з оптичного блока, що містить послідовно з'єднані сенсор, корпус і вузол насадка-фіксатор, блока керування з АЦП, інтерпретатора і дисплея, послідовно з'єднаних з оптичним блоком. Оптичний блок виконано у вигляді виносної оптичної головки, яка вміщує діафрагму, оптоволокно, яке відносно поверхні шкіри має деякий нахил і закінчується опромінювачем у діафрагмі, фотодіод з попереднім підсилювачем, який розташовано на торці діафрагми, вихідний електричний кабель, з'єднаний з фотодіодом, корпус з вилучаннями для фіксатора, кільцеву насадку, торець якої має скіс під кутом В відносно до торця діафрагми.

Робота пристрою полягає в почерговому опроміненні шкіри оптоволокном направленими вимірювальним Ріт (довжина хвилі 523 нм) та референтним Ріг (довжина хвилі 850 нм) потоками фотонів під деяким кутом « відносно поверхні органу. Частина цього випромінювання розсіюється в біообєкті та виходить з нього назовні у вигляді зворотно розсіяного потоку світла

ІВойтович І.Д., Корсунский В.М. Інтелектуальні сенсори. - К: Інститут кібернетики, 2007, 514 с.

Одночасно здійснюють реєстрацію розсіяних фотонів і формування приймальним фотодіодом бо електричних сигналів. Електричні сигнали далі проходять підсилення в попередньому підсилювачі, АЦП породжує вихідні цифрові сигнали Мог і Мот, які передаються в інтерпретатор для обчислення концентрації.

Конструкція пристрою не стосується пропонованого способу і наведена лише з метою ілюстрації та розуміння суті пропонованого способу. Інші деталі роботи пристрою розкриті в ША 108289 С2 |Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну, Войтович І.Д.,

Мержвинський А.0О., Осадців І.В. та ін., 20151.

На Фіг. 1 наведено положення біооб'єкта при контактному (КЗ) та дистанційному (ДЗ) зондуванні, схему контактного зондування сенсором при використанні оптоволокон в передавальному А і приймальному Б світловодах, схему дистанційного зондування при висуванні кільцевої насадки, та геометричні співвідношення між кутом (4 контактного опромінювання, висотою Пп та кутом скосу В насадки.

Виконання способу пояснюється на Фіг. 2, де цифрами позначені характерні етапи вимірювання: 1 - контактне зондування; 2 - запис результатів дифузного зондування в пам'ять, З - опускання і фіксація положення насадки, 4 - дистанційне зондування, 5 - запис результатів дистанційного зондування в пам'ять; 6 - обчислення концентрації по результатах вимірювань, 7 - індикація концентрації, 8 - повернення насадки у початкове положення.

Спосіб складається із таких етапів: 1) притискання оператором діафрагми сенсора до поверхні шкіри (положення КЗ) та її опромінення світловодом А Рії і вимірювальним Ріт потоками фотонів і одночасне формування фотодіодом, підсилювачем і АЦП пристрою вихідних електричних сигналів Мог і Мот, 2) запис в пам'ять результатів вимірювання референтного і вимірювального сигналів та концентрації гемоглобіну без урахування впливу меланіну згідно з (1), 3) опускання оператором насадки і притискання торця насадки до поверхні шкіри, 4) опромінення світловодом А шкіри в положенні ДЗ референтним Ріг і вимірювальним Ріт потоками фотонів і одночасне формування фотодіодом з підсилювачем і АЦП приладу вихідних електричних сигналів Мог та Мот, 5) запис в пам'ять ПК результатів вимірювання референтного і вимірювального сигналів та величини поправки, що враховує наявність меланіну, обчисленої згідно з (3), б) обчислення коригованої величини концентрації з урахуванням впливу меланіну на основі

Зо лінійного виразу (4)

С-60-0, (4) де СО - значення концентрації без врахування меланіну (1), ЮО - поправка, яка враховує вплив меланіну (3), 7) індикація значення концентрації гемоглобіну (4) на дисплеї, 8) піднімання, тобто засування насадки.

Пропонований спосіб промислово придатний, бо для його реалізації потрібні технічні засоби, відомі в машинобудівній та електронній галузях промисловості України. Спосіб тестувався на 5- ти дослідних зразків цифрових портативних ЕКГ-фотометричних комплексів в рамках виконання проекту ІК-2015/2 в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАНУ, м. Київ.

Конкретна реалізація способу у корисній моделі детально описана лише з метою ілюстрації.

Зрозуміло, що на практиці люди, досвідчені в гемоглобінометрії, можуть внести деякі зміни і модифікації в реалізацію способу. Проте, ми вважаємо, що зазначені зміни і модифікації у разі, якщо вони зроблені без суттєвих відхилень від даної корисної моделі, підпадають під її дію.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінвмісній шкірі шляхом визначення коефіцієнта дифузного відбивання оптичного сигналу, який включає почергове опромінення ділянок шкіри біотканини монохроматичним випромінюванням з двома довжинами хвиль, які утворюють референтний та вимірювальний канали, фотореєстрацію дифузно відбитого біотканиною сигналу, обчислення значення концентрації гемоглобіну СО на основі відношення потужностей дифузно відбитих сигналів у обох каналах без урахування впливу меланіну, який відрізняється тим, що поверхню шкіри опромінюють під кутом У відносно перпендикуляра до її поверхні, який вибирають в межах від 5 до 30 кутових градусів, поверхню шкіри додатково опромінюють дистанційно за допомогою випромінювача, віддаленого від її поверхні на відстань Пп не менше 0,370, де О - діаметр діафрагми, реєструють фотоприймачем дзеркально відбите випромінювання, обчислюють концентрацію гемоглобіну з урахуванням рівня дзеркально відбитого сигналу згідно з виразами (1-2)

   бо бо-аих-Б, (1)

   С-бо0-сам а, (2) де СО - концентрація гемоглобіну без урахування впливу меланіну, а, Б, с і а - постійні, зумовлені конструкцією оптичної насадки гемоглобінометра і режимом його налагодження, хХ-АМг/Мт - відношення дифузно відбитих сигналів в каналах, Ми та Мт - рівень дифузно відбитого сигналу в референтному та вимірювальному каналах, відповідно, У-Мтв50/Мтв - відношення дзеркально відбитих сигналів у вимірювальному каналі, Мт50 - середньостатистичний або виміряний для даного пацієнта рівень сигналу вимірювального каналу, дзеркально відбитого від незасмаглого органу, у якому відсутній меланін, Мтв - рівень сигналу вимірювального каналу, дзеркально відбитого від засмаглого органу, у якому наявний меланін. гу м Я 1 МІ ху ша с ше У о ве ПЕК ва й п дк ЕНН що й у й о На МВ; і Фк Ї Контаюте | биженеї ОР Днозеце | ООпідйомо у зандування ши насадюкй Р ззндуваняня насадки й Залисв) ГОблистення | кт пам'ять! 7 концентрації память 5 ша ннтреннн Кпнжннннньннннния І нава ре? твій