УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ИНФЕКЦИИ HELICOBACTER PYLORI

Полезная модель относится к устройствам для неинвазивной атравматичной диагностики гастродуоденальных заболеваний, вызываемых бактериями Helicobacter pylori (далее Н.pylori), в частности, к устройству позволяющему определять и регистрировать в выдыхаемом воздухе продукты гидролиза мочевины уреазой Н.pylori, а именно аммиак с сопутствующими органическими аминами (далее аммиак).
Известны индикаторные трубки [патент RU №2100010 "Способ неинвазивной диагностики хеликобактериоза инвиво", Корниенко Е.А., Милейко В.Е., опуб. 27.12.97 Бюл. №36], обычно применяемые в газоаналитической практике для анализа воздуха на содержание аммиака, используя которые контролируют содержание аммиака в воздухе ротовой полости. Эти трубки заполнены селективным хемосорбентом, количественно адсорбирующим аммиак. При пропускании через трубку пробы анализируемого воздуха в зоне сорбции сорбент меняет окраску. Линейные размеры окрашенного столбика пропорциональны содержанию аммиака в пробе.
Использование стеклянных трубок небезопасно как для врача, так и для пациента. Их применение приводит к большой длительности проведения обследования в связи с необходимостью двукратного проведения измерения и их относительно малой чувствительности. Также трубки не позволяют сделать четкий вывод об инфицированности пациента из-за небольшой разницы уровней линейных размеров окрашенного хемосорбента, соответствующих исходному и нагрузочному содержанию аммиака.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент US №6509169, МПК C 12 Q 1/04 Detection of Helicobacter pylori I Ratcliff N. et at. - Опубл. 21.01.2003], содержащее две камеры, в каждой из которых выполнено входное отверстие для поступления анализируемого воздуха и в каждой из них размещен электронный или электрохимический датчик аммиака, изменяющий свое сопротивление при воздействии на датчик воздуха из легких и/или желудка пациента. В одной из этих камер установлено средство для поглощения аммиака, расположенное между входным отверстием и датчиком. Датчики подсоединены к средству для измерения их электрического сопротивления. Также устройство имеет средство для сравнения сопротивлений обоих датчиков и средство для продуцирования видимого выходного сигнала.
Устройство работает следующим образом: получают пробу газа из желудка и/или легких пациента и вводят в две камеры с датчиками, при этом в одной из них установлено средство для поглощения аммиака. Таким образом, при прохождении воздуха через датчики с одного из них получают сигнал в виде сопротивления, соответствующий содержанию аммиака в воздухе, а с другого - сигнал, соответствующий данной пробе воздуха с исключением из него аммиака на поглощающем аммиак средстве. Эти сигналы сравнивают с помощью электронного средства и выдают результат сравнения видимым сигналом, соответствующий позитивному или негативному диагнозу.
Недостатком этого устройства является то, что оно предполагает однократное определение содержание аммиака, т.е. только исходное содержание, и постановку диагноза на основании этого определения. Это может привести к недостоверности постановки диагноза, так как на это значение влияет не только наличие у пациента инфекции Н.pylori, но и особенности функционирования его печени и почек.
Чувствительность устройства мала, так как оно предназначено для работы с пробами воздуха малого объема. В связи с малой чувствительностью устройство не позволяет достоверно поставить диагноз слабо инфицированному пациенту, у которого содержание аммиака незначительно выше, чем у неинфицированного.
Кроме того, возможна потеря определяемого компонента на стадии пробоотбора и передачи воздуха к датчику за счет использования промежуточной емкости. При этом, как в этой промежуточной емкости, так и на всех соединительных элементах устройства возможна сорбция аммиака, приводящая к искажению результата измерения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для неинвазивной диагностики инфекции Н.pylori, которое обладает большей чувствительностью и позволяет более достоверно определять наличие инфицированности у пациентов, особенно у слабоинфицированных
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройстве для неинвазивной диагностики инфекции Н.pylori ин виво, содержащем средство отбора проб воздуха из ротовой полости, соединенное с входом камеры, в которой расположен электрохимический датчик аммиака, а также средства измерения, обработки и индикации сигнала, камера выполнена составной, ее крышка и основание при соединении образуют канал для прохода пробы воздуха, при этом электрохимический датчик аммиака закреплен в основании камеры таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала для прохода пробы воздуха, перед ним по ходу движения воздуха в полости канала для прохода пробы воздуха
установлен блок нагрева воздуха, выход камеры соединен с аспирационным устройством, дополнительно в устройство введены блок защиты электрохимического датчика аммиака, блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, а средства измерения, обработки и индикации сигнала содержат блок измерения, блок обработки и управления, блок памяти и блок индикации, при этом первый выход электрохимического датчика аммиака соединен с входом блока защиты электрохимического датчика аммиака, первый выход которого соединен с входом электрохимического датчика аммиака, а второй выход с входом блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака, выход которого соединен с первым входом блока измерения, а выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, третий выход которого соединен с входом блока памяти, четвертый выход блока обработки и управления соединен с входом блока индикации, а второй вход блока обработки и управления соединен с выходом блока памяти.
В камере рядом с электрохимическим датчиком аммиака может быть установлен датчик температуры, а в устройство дополнительно введен блок усиления и фильтрации канала датчика температуры, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход блока усиления и фильтрации канала датчика температуры соединен со вторым входом блока измерения.
Вход блока нагрева воздуха может быть соединен с первым выходом блока обработки и управления.
Вход аспирационного устройства может быть соединен со вторым выходом блока обработки и управления.
Средство отбора проб воздуха из ротовой полости размещается перед камерой, соединено с ней шлангом и может представлять собой мундштук, конструкция которого позволяет фиксировать его во рту пациента и служит барьером для попадания слюны в пробу отбираемого воздуха [Baraldi E. et al. Measurement of exhaled nitric oxide in children, 2001 // Eur. Respir. J. - 2002. - Vol.20. - P.223-237].
Камера, в которой расположен электрохимический датчик, выполнена составной, ее крышка и основание при соединении образуют канал для прохода пробы воздуха.
Камера может быть выполнена из химически стойкой пластмассы, форма и размеры ее определяются габаритами размещаемых в ней датчика и других элементов устройства.
3
Электрохимический датчик аммиака, представляет собой, например, двухэлектродный датчик [Техническое описание сенсора аммиака Е-2 0-200 ppm NH. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"], или трехэлектродный датчик ЗАМ производства City Technology.
Электрохимический датчик закреплен в основании камеры таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала для прохода пробы воздуха.
По ходу движения воздуха перед электрохимическим датчиком на основании камеры установлен блок нагрева воздуха, который может быть выполнен в виде резистора типа МЛТ, расположен в канале камеры и закреплен, например, на основании камеры.
Блок нагрева воздуха устанавливается перед электрохимическим датчиком аммиака для того, чтобы путем нагрева анализируемого воздуха препятствовать конденсации паров воды на чувствительной поверхности датчика.
Рядом с электрохимическим датчиком аммиака, например, на основании камеры может быть установлен датчик температуры, который, например, выполнен в виде микросхемы AD 22100. Датчик температуры устанавливается, например, рядом с электрохимическим датчиком аммиака в связи с тем, что такое расположение позволяет быстро отслеживать изменение температуры воздуха в камере в области датчика, преобразуя значения температуры воздуха в канале камеры в электрический сигнал для обеспечения возможности слежения за температурой.
Выход камеры соединен с аспирационным устройством, обеспечивающим принудительную подачу воздуха из ротовой полости через камеру. Устройство установлено за камерой, соединено с ней посредством шланга, и может быть выполнено в виде, например, аспиратора или микрокомпрессора [Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - С.240-241].
В электронную часть устройства дополнительно введены:
- блок защиты датчика аммиака, схема которого позволяет как в случае использования двухэлектродного датчика, так и трехэлектродного:
- преобразовывать сигнал с электрохимического датчика аммиака в виде электрического тока в напряжение.
- защищать датчик от перегрузок при высоких уровнях содержания аммиака в пробе анализируемого воздуха
- препятствовать поляризации датчика при нахождении устройства в выключенном состоянии, что обеспечивает его непосредственную готовность к работе сразу после включения устройства.
При работе устройства, в случае использования трехэлектродного датчика этот блок позволяет компенсировать поляризацию датчика, которая приводит к сужению измерительного диапазона датчика.
Сохранение электрохимического датчика в рабочем режиме значительно ускоряет работу устройства и повышает достоверность постановки диагноза. При
работе устройства с несколькими пациентами подряд в случае сильной инфицированности одного из них, а, следовательно, и высокой концентрации аммиака в выдыхаемом им воздухе, датчик аммиака может войти в режим насыщения и, выходя из него, повлиять на постановку диагноза следующему пациенту, так как в этом случае возникают нелинейные искажения и электрический ток на выходе датчика не пропорционален реальной концентрации аммиака в воздухе.
Блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака может быть выполнен, например, на основе микросхемы AD 8542 и содержит двухкаскадный усилитель. Первый каскад по схеме разностного усилителя, а второй каскад по схеме неинвертирующего усилителя. Этот блок служит для усиления и фильтрации сигнала в канале электрохимического датчика аммиака, которые подготавливают сигнал для дальнейшей обработки.
Блок усиления и фильтрации канала датчика температуры может быть выполнен, например, на основе микросхемы AD 8541 и содержит, например, неинвертирующий усилитель. Этот блок служит также для усиления и фильтрации сигнала в канале датчика температуры, если это необходимо для дальнейшей обработки сигнала.
Средства измерения, обработки и индикации сигнала устройства содержат:
- блок измерения,
- блок обработки и управления,
- блок памяти
- блок индикации,
Функции блока измерения, блока обработки и управления и блока памяти в заявляемом устройстве выполняет микроконтроллер, например типа АТМеда163-8-А1, выпускаемый фирмой ATMEL.
Блок индикации может быть выполнен в виде ЖКИ WH 1602A -NGG-CP фирмы WINSTAR, на нем отображаются результаты обработки и режимы работы устройства.
С помощью блока сопряжения с компьютером, который может быть выполнен в виде микросхем FTDI232 либо ADM202 в зависимости от типа интерфейса, результаты обработки и режимы работы устройства могут быть переданы на персональный компьютер через стандартный интерфейс USB или RS-232. Через этот же блок и интерфейс программа, заложенная в персональный компьютер, позволяет управлять работой устройства.
Заявляемое устройство организовано и предназначено для анализа проб большего объема воздуха (суммарный объем 1-10 л). Устройство позволяет значительно повысить специфичность определения инфекции, снизить вероятность
постановки ложноположительного диагноза и определять наличие инфекции у слабоинфицированных пациентов за счет возможности многократного получения значений сигналов с электрохимического датчика аммиака, характеризующих содержание аммиака в ротовой полости пациента, накопления этих измерений и обработки определенным образом. Устройство просто в применении, что облегчает работу медперсоналу. Устройство конструктивно решено таким образом, что длина пути пробы воздуха из ротовой полости до датчика минимизирована в связи с отсутствием промежуточных емкостей для сбора или транспортировки проб воздуха. Это позволяет сократить потери определяемого компонента, обусловленные его сорбцией на стенках этих емкостей и соединительных элементов.
Определение инфицированности пациента осуществляют путем сравнения значений сигналов, соответствующих исходному содержанию аммиака в воздухе ротовой полости со значениями сигналов, соответствующих нагрузочному содержанию аммиака. Определение инфицированности может осуществляться одноразово, или непрерывно, или периодически.
При этом сравнение проводится как по максимальным значениям сигналов, так и по усредненным значениям сигналов. Также могут сравниваться скорости увеличения значений сигналов за определенный временной интервал, что позволяет оценивать кинетику ферментативного гидролиза.
Сущность заявляемого устройства поясняется графическими материалами, на которых изображено:
Фиг.1 - блок - схема устройства для неинвазивной диагностики инфекции Helicobacter pylori;
Фиг.2 - схема подключения блока защиты электрохимического датчика для двухэлектродного датчика
Фиг.3. - схема подключения блока защиты электрохимического датчика для трехэлектродного датчика.
Фиг.4 - конструкция камеры.
Устройство содержит (фиг.1): средство отбора проб 1, соединенное шлангом с входным отверстием камеры 2, составленной из крышки 3 и основания 4 с образованием между ними канала для прохода пробы воздуха (фиг.4). В этой камере 2 на основании 4 установлены блок нагрева воздуха 5, за ним электрохимический датчик аммиака 6, таким образом, что его чувствительная часть расположена в полости канала камеры 2. Рядом с электрохимическим датчиком аммиака 6 на основании 4 камеры 2 расположен датчик температуры 7. Выходное отверстие камеры 2 соединено шлангом с аспирационным устройством 8. Также устройство содержит
блок защиты электрохимического датчика аммиака 9, блок усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, блок усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, а средства измерения, обработки и индикации сигнала содержат блок измерения 12, блок обработки и управления 13, блок памяти 14 и блок индикации 15, а также может быть использован блок сопряжения с компьютером 16.
При этом первый выход электрохимического датчика аммиака 6 соединен с первым входом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, второй выход электрохимического датчика аммиака соединен с вторым входом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, первый выход которого соединен с входом электрохимического датчика аммиака 6, а второй выход с входом блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, выход которого соединен с первым входом блока измерения 12, второй вход которого соединен с выходом блока усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, вход которого соединен с выходом датчика температуры 7, а выход блока измерения 12 соединен с первым входом блока обработки и управления 13, первый выход которого соединен с входом блока нагрева воздуха 5, второй выход соединен с входом аспирационного устройства 8, третий выход с входом блока памяти 14, четвертый выход с входом блока индикации 15, а второй вход блока обработки и управления 13 соединен с выходом блока памяти 14, кроме того пятый выход блока обработки и управления 13 может быть соединен с входом блока сопряжения с компьютером 16, выход которого в этом случае связан с третьим входом блока обработки и управления 13.
Схема блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 и его подключения к электрохимическому датчику аммиака 6, представлена на Фиг.2 для двухэлектродного электрохимического датчика аммиака, а на Фиг.3 - для трехэлектродного электрохимического датчика аммиака.
Для двухэлектродного датчика блок защиты электрохимического датчика аммиака 9 содержит преобразователь ток-напряжение 17, источник смещения 18, ограничитель напряжения 19, ключ 20, нагрузочное сопротивление 21, при этом выход преобразователя ток-напряжение 17 соединен с входом ограничителя 19, и является вторым выходом блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, выход ограничителя 19 соединен с первым входом преобразователя ток-напряжение 17, и с первым выводом нагрузочного сопротивления 21, второй вывод которого соединен со вторым выводом ключа 20 и является входом блока защиты электрохимического датчика 6, первый вывод ключа 20 соединен с выходом источника смещения 18, со вторым входом преобразователя ток-напряжение и является первым выходом блока защиты электрохимического датчика 6.
Для трехэлектродного датчика блок защиты электрохимического датчика аммиака 9 дополнительно содержит устройство компенсации напряжения поляризации электрохимического датчика 6.
Устройство работает следующим образом:
В ротовой полости пациента размещается средство отбора проб воздуха 1 в виде мундштука. Воздух по соединительному шлангу поступает в камеру 2 и принудительно пропускается через камеру благодаря работе аспирационного устройства 8. Воздух в камере нагревается благодаря работе блока 5, установленного в канале камеры 2 перед электрохимическим датчиком аммиака 6. Далее нагретый воздух проходит по каналу камеры 2 над чувствительной поверхностью электрохимического датчика аммиака 6 и поступает на датчик температуры 7. Электрохимический датчик аммиака 6 вырабатывает сигналы в виде электрического тока, пропорционального величине содержания аммиака в пробе воздуха, которая подавалась на датчик.
Далее этот сигнал в виде электрического тока поступает на первый вход блока защиты электрохимического датчика аммиака 9, и преобразуясь в напряжение при прохождении через преобразователь ток-напряжение 17, поступает на вход блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика 10. В случае высокой инфицированности пациента и соответственно высокой концентрации аммиака в анализируемом воздухе значение выходного тока электрохимического датчика аммиака 6 превышает допустимое значение. При этом ограничитель напряжения 19 исключает насыщение преобразователя ток- напряжение 17, обеспечивая его низкое входное сопротивление и требуемую нагрузку электрохимическому датчику аммиака 6, равную величине нагрузочного сопротивления 21. Нагрузочное сопротивление линеаризирует характеристику преобразования электрохимического датчика аммиака 6.
В случае поляризации датчика после проведения обследования сильно инфицированного пациента датчик остается поляризованным, что может сказаться на результате анализа следующего пациента. В этом случае изменяется полярность тока, идущего с электрохимического датчика аммиака 6. Источник смещения 18 обеспечивает прохождение обратного тока через преобразователь ток-напряжение 17.
В рабочем режиме устройства выводы ключа 20 разомкнуты и не оказывают влияния на работу схемы устройства. В отсутствие напряжения питания ток, текущий с электрохимического датчика аммиака 6, не может пройти через преобразователь ток-напряжение 17. В таком случае прохождение тока обеспечивает ключ 20, выводы которого замыкают вход и выход электрохимического датчика аммиака 6, обеспечивая его защиту от поляризации.
Преобразователь ток-напряжение 17 выполнен, например, на основе ОУ типа AD 8606, источник смещения 18 - на основе кремниевого диода BAV99, ограничитель напряжения 19 - на основе стабилитрона типа КС133А, ключ 20 - полевой транзистор КП103, нагрузочное сопротивление 21 - SMD-резистор.
В случае использования трехэлектродного датчика в схему блока защиты электрохимического датчика 9 должен быть введен блок компенсации поляризации 22.
Со второго (дополнительного) выхода электрохимического датчика аммиака 6 снимается напряжение, пропорциональное его поляризации, которое поступает на второй вход блока компенсации поляризации 22, где оно сравнивается с напряжением смещения. Результат сравнения с выхода блока компенсации поляризации 22 поступает на вход электрохимического датчика аммиака 6 в виде напряжения, компенсирующего внутреннее напряжение его поляризации.
В остальном работа блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 при трехэлектродном датчике аналогична работе блока защиты для двухэлектродного датчика.
Далее электрический сигнал с выхода блока защиты электрохимического датчика аммиака 9 поступает на вход блока усиления и фильтрации канала электрохимического датчика аммиака 10, где он усиливается и фильтруется для дальнейшей обработки. Ту же функцию выполняет блок усиления и фильтрации канала датчика температуры 11, усиливающий электрический сигнал с выхода датчика температуры 7. Блок измерения 12, реализованный в виде встроенного в микроконтроллер 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя, переводит поступающие на его входы аналоговые электрические сигналы в цифровую форму. Блок обработки и управления 13, с помощью программы для микроконтроллера собирает цифровые данные с блока измерения 12, обрабатывает их и запоминает вместе с результатами обработки с помощью блока памяти 14, реализованного в виде встроенной статической памяти микроконтроллера. Еще одной функцией блока обработки и управления 13 является поддержание температуры на датчике в заданных пределах. При этом блок обработки и управления 13 анализирует данные датчика температуры 7 и в зависимости от их значения управляет блоком нагрева воздуха 5. Результаты обработки и режимы работы прибора отображаются с помощью блока индикации 15, реализованного, например, в виде стандартного жидкокристаллического дисплея. Эти же результаты могут быть отправлены с помощью блока сопряжения с компьютером 16 на персональный компьютер через стандартный интерфейс USB или RS-232. Через этот же блок и интерфейс программа персонального компьютера может управлять работой устройства.
В устройстве «зашита» методика проведения обследования, а именно, программа, реализуемая микроконтроллером. Таким образом, исключается возможность нарушения порядка действий при выполнении обследования, исключаются грубые промахи, и уменьшается погрешность измерения за счет точного измерения временных интервалов и исключения влияния человеческого фактора.
Конкретный порядок действий и условия проведения диагностики, реализующегося с помощью данного устройства, имеет вид программы, действующей, например, по следующему алгоритму:
1. Период измерения разбит на два участка:
"Базальный" - длительностью 1,5 мин.
"Нагрузочный" - длительностью 7,5 мин.
2. Измерительный цикл начинается сразу после приема пациентом мочевины.
3. Измерение производится 1 раз в секунду.
4. Рассчитывается среднее арифметическое значение всех измерений на каждом из участков.
5. Сравниваются значения средних арифметических для «базального» и «нагрузочного» участков.
6. Эти средние величины отображаются на устройстве индикации в виде двух столбиков, высоты которых пропорциональны значениям средних арифметических.
7. По соотношению высот столбиков делается вывод об инфицированности пациента.