Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха

Полезная модель относится к области медицины, а именно к анализаторам аммиака в выдыхаемом воздухе, предназначенным для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Смежной областью полезной модели является оптическая измерительная техника, точнее оптические инфракрасные газоанализаторы для измерения концентраций аммиака в химической, пищевой и электронной промышленности.
В настоящее время в области медицины отсутствуют оптические устройства, предназначенные для определения концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе. Существующие для решения данной задачи устройства используют электрохимические и полупроводниковые технологии. В результате устройства имеют низкую селективность и чувствительность, т.к. на результат оказывают влияние другие газообразные вещества присущие в выдыхаемом воздухе.
Известен патент на полезную модель «Устройство для диагностики инфицированности бактерией Helicobacter pylori» (RU 194744 U1, МПК A61B 5/097, А61В 5/14552, A61B 5/082, опубликована 23.12.2019). Устройство включает сменный измерительный модуль, установленный в посадочное место устройства и содержащий измерительный преобразователь, блок обработки и усиления сигнала и блок памяти, систему пробоподвода, выполненную в виде насадки, установленной по внешнему диаметру посадочного места, блок управления и обработки данных, соединенный с измерительным модулем, блоком отображения и ввода и блоком передачи данных, а также блок вспомогательного контроллера, соединенным с блоком питания, встроенной аккумуляторной батареей, блоком заряда аккумуляторной батареи и с микронасосом.
К существенным недостаткам данного устройства можно отнести:
2
2
- низкую чувствительность и неполную селективность из-за влияния присущих в выдыхаемом воздухе газов, например, HO и CO;
3
- низкую точность из-за нижнего предела обнаружения аммиака порядка 1,4 мг/м.
В смежных областях существуют технические решения, позволяющие проводить селективное определение концентрации аммиака в газовых средах с необходимой точностью.
Известна заявка на изобретение «Кювета газоанализатора, газоанализатор, содержащий такую кювету и способ детектирования газа» (RU 2020128982 А, МПК G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/359, G01N 21/39, опубликована 02.03.2022). Газоанализатор содержит измерительный объем, образованный кюветой, источник инфракрасного (ИК) излучения ближнего ИК-диапазона, фотодетектор для детектирования выходного ИК-излучения ближнего ИК-диапазона, источник ИК-излучения среднего ИК-диапазона, многоканальный детектор для детектирования выходного излучения среднего ИК-диапазона, вычислительный блок для анализа параметров выходных ИК-излучений. Кювета газоанализатора содержит оппозитно расположенные сферические зеркала, одно из которых выполнено с возможностью заведения в образуемую зеркалами полость пучка ИК излучения ближнего ИК-диапазона, причем зеркала выполнены с возможностью многократного прохождения упомянутого пучка инфракрасного излучения ближнего ИК-диапазона внутри полости и его выхода за пределы полости в направлении фотодетектора. Зеркала выполнены с возможностью заведения в образуемую ими полость пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона, с возможностью многократного прохождения пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона внутри полости и его выхода за пределы полости в направлении многоканального детектора, причем место заведения пучка инфракрасного излучения среднего ИК-диапазона и место выхода этого пучка за пределы полости расположены на одной стороне кюветы.
Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Однако этот прототип имеет недостатки, а именно:
- неэффективное использование площади зеркал и объема кюветы, обусловленное применением сферических зеркал в системе Эрриотта;
- дополнительные оптические потери, обусловленные, помимо резонатора, образованного двумя сферическими зеркалами, использованием оптического волокна, входного и выходного оптических клиньев.
Технической проблемой настоящей полезной модели является создание оптического инфракрасного модуля для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха с достижением следующего технического результата: повышение точности, чувствительности и селективности дыхательного аммиачного метода за счет применения диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии с использованием излучения ближнего инфракрасного диапазона
Техническая проблема решается за счет того, что оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха, содержащий блок лазерного излучателя, многоходовую зеркальную оптическую кювету, фотодиодный блок и блок управления, обработки и передачи данных, выполнен в едином светонепроницаемом металлическом корпусе, внутри которого размещены оптически связанные через оптическую многоходовую кювету блок лазерного излучателя и фотодиодный блок, состоящий из фотодиодного модуля и элементов усиления и преобразования сигнала, причем блок лазерного излучателя и фотодиодный блок подключены к выводам блока управления, обработки и передачи данных, закрепленного внутри корпуса, при этом блок лазерного излучения содержит лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака, а внутри оптической многоходовой кюветы установлены сферический зеркальный объектив и два плоских зеркала с отверстиями, расположенных с возможностью многократного прохождения излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы. А также за счет того, что плоские зеркала оптической многоходовой кюветы имеют конические отверстия для ввода лазерного излучения в полость кюветы и вывода его за пределы полости в направление фотодиодного блока, оптическая многоходовая кювета имеет цилиндрическую форму, а корпус модуля снабжен ячейками ввода-вывода исследуемого газового вещества в полость кюветы.
2
2
2
2
Технический результат решения достигается за счет того, что заявленная конструкция за счет применения лазерного излучателя и фотодиодного блока, оптически связанных через оптическую многоходовую кювету и имеющих время отклика не более 10 секунд, позволяет сократить время проведения аммиачного дыхательного теста в 3 раза. Кроме того позволяет повысить точность и селективность за счет использования блока лазерного излучения, содержащего лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью, включающий контроллер температуры для настройки длины волны лазерного диода на полосу поглощения аммиака с наибольшей интенсивностью в коротковолновой области инфракрасного диапазона, т.е. измерять низкие концентрации аммиака около 0,1 ppm за счет использования линий поглощения аммиака с наибольшей интенсивностью в коротковолновой области инфракрасного диапазона. Благодаря применению в структуре оптической многоходовой кюветы сферического зеркального объектива и двух плоских зеркал с отверстиями, способствующих многократному прохождению излучения ближнего инфракрасного диапазона внутри полости кюветы и эффективному использованию ее объема, происходит улучшение чувствительности, что в свою очередь позволяет минимизировать воздействия основных соединений выдыхаемого воздуха (HO, O, N и CO) на результат за счет повышения разрешающей способности при помощи ячейки с многопроходным или длинным оптическим поглощением.
Повышение точности, чувствительности и селективности заявленного решения обеспечивает повышение эффективности работы заявленного оптического инфракрасного модуля.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и графическим материалом.
На Фиг. 1 представлена блок-схема оптического инфракрасного модуля для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха.
Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха (Фиг. 1) содержит блок лазерного излучателя 1, многоходовую зеркальную оптическую кювету 2, фотодиодный блок 3, блок управления, обработки и передачи данных 4.
Блок лазерного излучателя 1 оптически связан с фотодиодным блоком 3 через многоходовую зеркальную оптическую кювету 2. Блок лазерного излучателя 1 содержит лазерный диод 5 с распределенной обратной связью (DFB) с центральной длиной волны 1512 нм и контроллер температуры 6 для стабильности и контроля длины волны лазерного диода. Многоходовая зеркальная оптическая кювета 2 имеет цилиндрическую форму, внутри которой установлены два плоских зеркала 7-8 и один сферический зеркальный объектив 9. На внутреннюю поверхность сферического зеркального объектива 9 нанесено алюминиевое напыление. Плоские зеркала 7-8 полностью изготовлены из алюминия. По центру зеркал расположены конические отверстия для ввода 17 и вывода 18 излучения ближнего инфракрасного диапазона. Блок лазерного излучателя 1 закреплен таким образом, что излучение через отверстие 17 в зеркале 7 попадает непосредственно на поверхность сферического зеркального объектива 9. У выходного отверстия 18 плоского зеркала 8 расположен фотодиодный блок 3.
Фотодиодный блок 3 содержит фотодиодный модуль 10 спектрального диапазона 900-2700 нм и элементы усиления и преобразования сигнала 11.
Вся элементная база заключена в едином светонепроницаемом металлическом корпусе 12. Блок управления, обработки и передачи данных 4 подключаются к выводам фотодиодного блока 3 и выводам блока лазерного излучателя 1 проводами. Строение корпуса имеет позиции (ячейки) ввода-вывода 13-14 исследуемого газового вещества в полость кюветы, разъем питания 15 и разъем передачи данных 16 с многоканального микроконтроллера обработки сигналов, являющегося частью блока управления, обработки и передачи данных 4.
Рассмотрим работу модуля, как медицинского анализатора аммиака в потоке выдыхаемого воздуха.
Подготовка к тесту заключается в том, что к ячейке 13 подключается мембранный насос для аспирации выдыхаемого воздуха, к ячейке 14 подключается средство забора пробы, состоящее из мундштука и пробозаборного капилляра. К модулю через разъем питания подключается внешний адаптер питания, также к модулю через разъем передачи данных подключается персональный компьютер, с заранее установленным специализированным программным обеспечением.
В начале теста измеряются энергетические параметры лазерного излучения, прошедшего через пустую многоходовую зеркальную оптическую кювету 2. Измерение длится около 10 секунд. В это время образованное блоком лазерного излучателя 1 излучение проходит через отверстие 17 в зеркале 7 и попадает непосредственно на поверхность сферического зеркального объектива 9. Далее излучение многократно переотражается от зеркальных поверхностей элементов 7-9 и выходит через отверстие 18 плоского зеркала 8 на фотодиодный блок 3. В фотодиодном блоке 3 лазерное излучение преобразуется сначала в электрический сигнал, затем из аналогового электрического сигнала преобразовывается в цифровой, который поступает в блок управления, обработки и передачи данных 4. В блоке 4 цифровой сигнал пересчитывается в энергетические параметры, которые сохраняются в памяти данного блока.
Далее пациенту подается средство забора пробы, в которое он начинает дышать. Забор воздуха из ротовой полости длится в течение 60 секунд. В это время многоходовая зеркальная оптическая кювета 2 заполняется выдыхаемым воздухом. Процессы, описанные выше, остаются. Однако интенсивность излучения на выходе заполненной выдыхаемым воздухом кюветы 2 будет меньше (по сравнению интенсивность излучения на выходе с пустой кюветов).
На аппаратном уровне в блоке управления, обработки и передачи данных 4 полученные энергетические параметры сравниваются, и по ним рассчитывается концентрация аммиака в выдыхаемом воздухе. Результат моментально отображается на средстве отображения информации персонального компьютера. В свою очередь в зависимости от полученных результатов теста и данных анамнеза пациента врач может назначить или скорректировать лечение желудочно-кишечного тракта.
Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха питается от внешнего источника питания через адаптер питания (напряжение 5 В, ток 1А). Разработанный модуль обладает компактными размерами: длина модуля не превышает 200 мм и весом не превышает 2 кг.