УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБЫ ВОЗДУХА, ВЫДЫХАЕМОГО ЧЕЛОВЕКОМ

Полезная модель относится к устройствам, использующимся при медицинских диагностических исследованиях, в частности к устройствам для отбора пробы воздуха, выдыхаемого человеком. Устройство может быть использовано в составе аппаратурных средств для определения инфекции Helicobacter Pylori.
Потребность в таких устройствах проявляется прежде всего в области медицины при диагностике заболеваний по выдыхаемому воздуху.
Пробоотбор для диагностики по выдыхаемому воздуху имеет ряд проблем, таких, например, как
- взятие пробы воздуха в фазе выдоха человека;
- накопление и сохранение выдыхаемого воздуха в течение периода обследования;
- формирование потока выдыхаемого воздуха с физическими характеристиками, оптимальными для сенсора устройства диагностики;
- сокращение длительности проведения обследования.
В патенте RU №2363381 «Способ обнаружения онкологического заболевания легких», опуб. 10.08.09 описано следующее устройство для отбора выдыхаемого воздуха. Пациент в течение 6 минут выдыхает воздух в специальный полиэтиленовый пакет-баллон емкостью 5 литров, находящийся в сжатом состоянии с соском, перекрываемым краном-клапаном. После заполнения пакета-баллона выдыхаемым воздухом кран перекрывается, пакет-баллон в течение 10 минут находится в статическом состоянии, позволяющем произойти гравитационной дифференциации газов по высоте с накоплением в верхней части наиболее легкого газа, через кран-клапан отбирается проба газа из верхней части баллона и методом газовой хроматографии анализируется газ на наличие атомов гелия. Наличие атомов гелия в смеси выдыхаемого воздуха более 0,0005% по объему свидетельствует о протекании в легких онкологического процесса.
Устройство по патенту US 5140993 «Device for collecting a breath sample», опубл. 08-25.08.92 содержит гибкий надувной пакет, в котором на входе установлен шланг с мундштуком и запорным клапаном, а на выходе шланг с закрепленной внутри иглой для передачи отобранного воздуха для анализа и запорным клапаном для сохранения отобранного воздуха.
Для отбора пробы воздуха пациент глубоко вдыхает, размещает мундштук во рту, медицинский работник вручную открывает запорный клапан, и пациент раздувает пакет полностью или до требуемого объема. После заполнения закрывают вручную запорный клапан на выходе пакета. Для анализа собранный воздух отбирают через специальную иглу.
В представленных выше устройствах предусматривается форсированное (с глубоким вдохом) дыхание пациента для преодоления пневматического сопротивления емкости сбора выдыхаемого воздуха, что приводит к увеличению объема воздуха в пробе, а следовательно к снижению концентрации исследуемой газовой компоненты. При малых исходных концентрациях, такое разбавление приводит к потере чувствительности устройства диагностики в целом.
Накопление пробы выдыхаемого воздуха в отдельной емкости приводит к необходимости использования дополнительных средств (аспираторов, шприцов и т.п.) для транспортировки воздуха к анализирующей части устройства диагностики, что приводит к конструктивному усложнению прибора и увеличению его стоимости.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, представленное в патенте на полезную модель RU №81887 «Устройство для отбора пробы воздуха, выдыхаемого человеком», опубл. 10.04.09. Устройство содержит емкость из эластичного инертного материала, например, пленки фторопласта (металлизированного полиэтилена и др.), служащего для сбора выдыхаемого человеком воздуха. Емкость снабжена соединительной трубкой, соединяющей внутренний ее объем со ртом человека с помощью нагубника. К соединительной трубке подключен поглотитель паров влаги, выполненный в виде стеклянной трубки, имеющей форму спирали. На входе в емкость установлен обратный клапан, служащий для предотвращения утечки газовой пробы во время проведения анализа. Емкость снабжена двумя патрубками для соединения ее с газоанализатором через соответствующие запорные элементы. Газоанализатор снабжен побудителем расхода. Запорные клапаны могут быть выполнены в виде электромагнитных клапанов, управляемых от микропроцессорного блока или персонального компьютера или в виде ручных запорных элементов.
Устройство работает следующим образом. В начальный момент работы устройства запорные клапаны закрыты. Пациент с помощью нагубника выдыхает воздух в емкость из эластичного инертного материала. Пары влаги, содержащиеся в выдыхаемом воздухе оседают на внутренних стенках стеклянной трубки, а воздух, содержащий аммиак или другие контролируемые газовые компоненты заполняет внутренний объем емкости из эластичного инертного материала. По завершению процедуры выдоха обратный клапан запирает внутренний отдел емкости. По команде от микропроцессорного блока открываются запорные клапаны и включается побудитель расхода, который начинает прокачивать собранный в емкости воздух через газоанализатор. Сигнал газоанализатора пропорциональный концентрации контролируемого газового компонента воздуха, например, аммиака, поступает в микропроцессорный блок (или персональный компьютер) где обрабатывается и представляется на дисплее. По показаниям газоанализатора судят о наличии соответствующей инфекции.
В этом устройстве также предусматривается форсированное дыхание пациента для преодоления пневматического сопротивления емкости сбора выдыхаемого воздуха, что приводит к избыточному объему воздуха в пробе, а следовательно к снижению концентрации исследуемой газовой компоненты. При малых исходных концентрациях, такое разбавление приводит к снижению надежности диагностического заключения. Кроме этого, такой вид пробоотбора ограничивает использование устройства для диагностики хеликобактериоза среди детей младшего возраста (3-5 лет).
Система пробоотбора требует в составе основного устройства дополнительных конструктивных элементов: энергоемкого побудителя расхода и запорных клапанов для формирования потока газовоздушной смеси, воздействующего на сенсор, что приводит к усложнению и удорожанию диагностического устройства в целом, увеличению его габаритов и снижению надежности.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является создание устройства для отбора пробы воздуха, выдыхаемого человеком, позволяющего достичь технический результат, заключающийся в:
сохранении процентного содержания исследуемой газовой компоненты в выдыхаемом воздухе за счет отсутствия разбавления избыточным количеством воздуха при форсированном дыхании;
расширении диапазона обследуемых, за счет упрощения процедуры отбора пробы выдыхаемого воздуха, а именно отсутствия форсированного выдоха (обследование может проводиться среди детей младшего возраста, а также среди лиц с пониженной функцией внешнего дыхания);
упрощении конструкции диагностического устройства в целом, уменьшение его массо-габаритных характеристик, увеличение его надежности и уменьшение стоимости за счет отсутствия дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих формирование потока выдыхаемого воздуха, воздействующего на газовый сенсор;
в отсутствии необходимости использования сетевого питания диагностического устройства, так как конструкция пробоотбора обеспечивает режим работы устройства в целом без применения энергоемких комплектующих элементов.
Сущность полезной модели заключается в том, в устройство для отбора пробы воздуха, выдыхаемого человеком, содержащее мундштук, емкость для сбора выдыхаемого воздуха, первую соединительную трубку, один из концов которой закреплен на входе емкости для сбора выдыхаемого воздуха через первый обратный клапан, дополнительно введено средство подачи выдыхаемого воздуха, вход которого через второй обратный клапан соединен посредством второй соединительной трубки с мундштуком, а выход со вторым концом первой соединительной трубки, при этом емкость для сбора воздуха снабжена датчиком давления и имеет полость для размещения в ней чувствительной части датчика для анализа выдыхаемого воздуха, снабженную запорным клапаном, при этом стенки емкости для сбора выдыхаемого воздуха выполнены жесткими.
При этом емкость для сбора выдыхаемого воздуха может быть выполнена цилиндрической формы из пластического материала, а средство подачи выдыхаемого воздуха может быть выполнено например в виде сильфона или вакуумной помпы или поршня.
Устройство для отбора пробы выдыхаемого воздуха предусматривает накопление нескольких порций выдыхаемого воздуха в специальной емкости под давлением, большим, чем атмосферное и последующим кратковременным воздействием накопленной газовоздушной смеси на датчик диагностического устройства.
Воздействие отобранной пробы выдыхаемого воздуха, находящимся под избыточным давлением, на чувствительную часть датчика, помогает преодолеть пневматическое сопротивление мембранных фильтров на входе датчика, увеличить скорость диффузии молекул аммиака и повысить быстродействие сенсора.
В процессе обследования пациент дышит спокойно в режиме обычного для себя дыхания. Устройством пробоотбора предусмотрен захват газового содержимого ротовой полости на фазе выдоха и передача его на фазе вдоха в емкость для сбора пробы выдыхаемого воздуха. В режиме спокойного дыхания исключается поступление избыточного количества воздуха в респираторный тракт и, как следствие, сохранение процентного содержания исследуемой газовой компоненты в ротовой полости.
Отсутствие форсированного выдоха обеспечивает возможность использование пробоотбора выдыхаемого воздуха среди детей младшего возраста (3-5 лет), для которых процесс направленного выдоха с усилием затруднен. Для людей с пониженной функцией внешнего дыхания (например, при бронхиальной астме) форсированный выдох также затруднен и может быть даже противопоказан.
Конструкция пробоотбора предполагает использование мышечных усилий пациента при взятии пробы, что позволяет, с одной стороны, синхронизировать фазы выдоха с захватом пробы воздуха, а с другой стороны, упростить конструкцию диагностического прибора в целом, за счет отказа от использования дополнительных комплектующих элементов (аспираторов, клапанов и т.п.), что приводит к повышению надежности устройства, снижению его себестоимости, уменьшению массо-габаритных характеристик, а также сокращению уровня энергопотребления. В отличие от прототипа, являющегося настольным прибором, требующим для своего функционирования сетевого источника питания, заявляемое средство пробоотбора позволяет выполнить устройство диагностики в виде ручного прибора с автономным батарейным питанием. Это позволяет использовать устройство диагностики не только в условиях медицинских учреждений, но и в любых бытовых условиях, в частности при проведении скрининговых обследованиях населения, а также при проведении прикроватной диагностики.
Анализу подвергается не объем единичного выдоха, а газовоздушная смесь, содержащая серию выдохов, что обеспечивает более высокую вероятность присутствия исследуемого газа в анализируемом материале (содержание, например, аммиака в выдыхаемом воздухе колеблется за счет работы двух сфинкторов пищевого тракта, перекрывающих доступ газового содержимого желудка в ротовую полость).
При обследовании пациента, например, на наличие инфекции Helicobacter Pylori время проведения тестирования пациента сведено к двум сериям по 15-30 выдохов в каждой серии (имеется в виду первая серия - без приема карбамида, и вторая серия - после приема карбамида).
Заявляемую полезную модель поясняют следующая фигура:
Схематичное изображение устройства. для отбора воздуха, выдыхаемого человеком.
Устройство состоит из двух основных частей: средство подачи выдыхаемого воздуха (4) и емкость для сбора выдыхаемого воздуха (8). Средство подачи выдыхаемого воздуха (4) предназначено для передачи выдыхаемого воздуха и может быть выполнено в виде сильфона, а емкость для сбора выдыхаемого воздуха (8) предназначена для накопления выдыхаемого воздуха и выполнена в виде полого цилиндра объемом 50-70 мл из пластического материала с жесткими стенками (для сохранения объема накопленного воздуха). Емкость выдерживает давление до 1.5 бар. Мундштук (1) соединен со средством подачи выдыхаемого воздуха (4) через второй соединительный шланг (2) и обратный клапан (3) сильфона (4). Выход сильфона (4) соединен с емкостью для сбора выдыхаемого воздуха (8) посредством первого соединительного шланга (5) через обратный клапан (6) емкости для сбора выдыхаемого воздуха. Емкость для сбора выдыхаемого воздуха (8) снабжена датчиком давления воздуха (7). На выходе емкости для сбора выдыхаемого воздуха (8) имеется полость (9) для размещения в ней чувствительной части электрохимического датчика (10). Полость (9) снабжена запорным клапаном (11).
Устройство работает следующим образом.
Пациент в процессе обследования равномерно дышит в сменный мундштук (1), вручную сжимая и разжимая сильфон (4) в такт собственному вдоху и выдоху. Во время выдоха пациент разжимает сильфон, его объем увеличивается, внутреннее давление падает и выдыхаемый воздух попадает внутрь сильфона через клапан (3), Во время вдоха пациент сжимает сильфон, тем самым уменьшая его внутренний объем, давление в нем увеличивается и содержимое сильфона попадает в емкость для сбора выдыхаемого воздуха (8), раскрывая клапан (6). Таким образом, сильфон принимает каждый выдох и передает его в емкость для сбора выдыхаемого воздуха (8), где накапливается содержимое последовательности выдохов. Такое перемещение газовоздушной смеси обеспечивается двумя обратными клапанами (3) и (6), которые пропускают поток в прямом направлении и препятствуют его перемещению в обратном направлении. Объем емкости для сбора выдыхаемого воздуха (8) не меняется, поэтому каждая порция выдыхаемого воздуха увеличивает давление газовоздушной смеси внутри ее. Уровень достигнутого давления отслеживается датчиком давления (7). При достижении определенного значения вырабатывается сигнал, при появлении которого процесс отбора пробы заканчивается. Пациент прекращает сокращать сильфон. Далее вручную - нажатием специальной кнопки - открывается запорный клапан (11) полости (9). Газовоздушная смесь, находящаяся под давлением, воздействует на чувствительную часть датчика (10). При наличии, например, аммиака (при проведении диагностики на Helicobacter Pylori) в составе газовоздушной смеси, начинается быстрый (за счет избыточного давления) переходный процесс в датчике, сопровождающийся импульсным ростом величины тока. Ток усиливается с помощью операционных усилителей, входящих в систему управления прибором, и подается в виде аналогового сигнала на АЦП внутреннего контроллера. Далее полученный сигнал обрабатывается в соответствии с алгоритмом, реализованным программой микроконтроллера.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет сохранить процентное содержание исследуемой газовой компоненты в выдыхаемом воздухе, расширить диапазон обследуемых пациентов, упростить конструкцию диагностического устройства в целом, уменьшить его массо-габаритные характеристики, увеличить его надежности и уменьшить себестоимость. Кроме этого, заявляемое средство пробоотбора позволяет выполнить устройство диагностики в виде ручного прибора с автономным батарейным питанием.