ГАЗОВЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЖИВОГО ОРГАНИЗМА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
GAS MEDICAL MASS-SPECTROMETER FOR DIAGNOSTICS OF LIVE ORGANISM IN REAL TIME MODE

Устройство для неинвазивного сбора и анализа транскутантного и выдыхаемого газов из живого организма в режиме реального времени предназначено для медицинских, физиологических или иных исследований, включая медицинскую и физиологическую экспресс-диагностику, определение динамики кожного дыхания, системных отклонений в организме, выявление маркеров заболеваний, токсических и иных поражений организма, следов воздействия лекарственных и иных веществ в организме, контактов со специфическими агентами, например анестетиками, взрывчатыми веществами и т.п. Область техники включает в себя: измерение для медицинских диагностических целей со сбором воздуха и направлением его через измерительное устройство (А61В 5/097); получение и подготовку образцов для исследования (G01N 35/00); исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 27/00); электрические измерения для определения состава газовых смесей путем исследования ионизации газов (G01N 27/62); исследование свойств частиц, определение размеров частиц и их распределения по размерам, в том числе масс-спектрометрическим методом (G01N 15/02); исследование или анализ материалов путем разделения на компоненты, разделение и ввод образцов (G01N 30/00); использование масс-спектрометра (G01N 30/72).
Известны аналоги изобретения, включающие устройство для сбора выдыхаемой парогазовой смеси, подключенное к масс-анализатору [Jan E. Szulejko, Michael McCulloch, Jennifer Jackson, Dwight L. McKee, Jim C. Walker, and Touradj Solouki. Evidence for Cancer Biomarkers in Exhaled Breath. IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 10, NO. 1, JANUARY 2010, F.Di Francesco, R.Fuoco, M.G.Trivella, A.Ceccarini. Breath analysis: trends in techniques and clinical applications. Microchemical Journal, 79 (2005), 405-410]. Недостатком указанных аналогов является отсутствие возможности анализа транскутантного газа, что не позволяет осуществлять многофункциональную диагностику живого организма путем определения и сопоставления содержания метаболических биомаркеров на следовом уровне в выдыхаемой парогазовой смеси («выдыхаемом газе») и транскутантной парогазовой смеси («газе»).
Известны аналоги изобретения, включающие входной интерфейс с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, через которую поступает транскутантная газовая смесь, прижимаемый в рабочем состоянии указанной входной поверхностью к участку кожи человека или животного, и систему транспортировки газовой смеси к анализатору, в качестве которого используется масс-спектрометр [S.Dawson, C.Cave, I.Pavord, and J.F.Potter. Transcutaneous monitoring of blood gases. Respiratory Medicine 1998, 92, 584-587, Левшанков А.И., Пушкина М.А., Слуцкая М.Е., Уваров Б.С. Определение локального газообмена поверхности тела методом масс-спектрометрии. Медицинская техника. М.: Медицина, №1, 1983. с.21-26].
Указанные аналоги основаны на использовании герметичного контейнера, в котором собранную с помощью интерфейса транскутантную газовую смесь переносят в масс-спектрометр. В такой системе могут быть сохранены, в принципе, простые газы смеси в пропорциях, близких к исходным. Однако эти пропорции нарушаются из-за адсорбционно-десорбционного взаимодействия со стенками контейнера, наличия натеканий атмосферного воздуха, утечек на двух этапах: сбора из входного модуля и инжекции в масс-спектрометр. Сорбционные и иные потери примесных компонентов летучей органики, присутствующих в исходной пробе на следовом уровне миллиграмм - нанограмм на литр и ниже, принципиально препятствуют их обнаружению в газовой смеси, поступающей в масс-спектрометр. Неконтролируемое натекание примесных компонентов летучей органики из атмосферного воздуха в контейнер, в системы забора смеси и инжекции ее в масс-спектрометр, смешение натекающего газа с анализируемой газовой смесью также искажают исследование. Исследования требуют большой продолжительности, нет возможности обеспечить режим реального времени, выявить динамику кожного дыхания, произвести экспресс-обследования.
Указанные недостатки частично устранены в изобретении по АС №1772745 «Способ исследования биологической пробы с поверхности кожи».
Указанный способ реализуется в устройстве для неинвазивного транскутантного сбора и исследования биологической пробы - газовой смеси - в режиме реального времени. Согласно аналогу в канале транспортировки создается вакуумное разрежение вместе с камерой масс-спектрометра, и ионизация поступающей газовой смеси, прошедшей указанный канал транспортировки, производится в ионном источнике масс-спектрометра в указанной камере. Натекания атмосферного воздуха и их смешение с анализируемой газовой смесью понижены до минимальных значений, существенно увеличено быстродействие, обеспечен режим сбора, транспортировки и получения масс-спектральных характеристик транскутантной газовой смеси в режиме реального времени. Недостатком аналога является искажение структурного состава транскутантной газовой смеси в канале транспортировки из-за взаимодействий частиц указанной смеси со стенками канала транспортировки, а также между собой на стенках канала и с другими частицами, имеющимися на стенках канала. Указанные взаимодействия могут приводить к потерям примесных компонентов малой концентрации, преобразованиям химического состава смеси, изменениям размеров частиц из-за синтеза или фрагментации. Искажение структурного состава транскутантной газовой смеси в канале транспортировки приводит к потере аналитической информации и снижению эффективности исследования биологической пробы с поверхности кожи в целом.
Указанные выше недостатки устранены в прототипе данного изобретения (патент РФ №2328213, «Способ неинвазивного сбора и анализа транскутантного газа из живого организма в режиме реального времени»). Согласно прототипу осуществляют неинвазивный сбор и анализ транскутантного газа из живого организма в режиме реального времени, для чего используют интерфейс с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, имеющий канал транспортировки газовой смеси к масс-анализатору, причем с помощью установленных в интерфейсе электродов и контактных линий передачи, подключенных к генераторам электрических сигналов, создают электрическое поле, посредством которого производят разряд и ионизацию транскутантной газовой смеси в интерфейсе непосредственно в области входной диафрагмы, и осуществляют направленный дрейф в канале транспортировки полученных ионов в масс-анализатор. Недостатком прототипа является отсутствие возможности одновременного анализа и сопоставления составов транскутантного и выдыхаемого газов.
Задачей предлагаемого технического решения газового медицинского масс-спектрометра является осуществление быстрой многофункциональной диагностики живого организма путем определения содержания метаболических биомаркеров на следовом уровне одновременно в выдыхаемом и транскутантном газах в режиме реального времени.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что, аналогично прототипу, газовый медицинский масс-спектрометр содержит интерфейс транскутантного газа с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, в котором установлены электроды и контактные линии передачи, подключенные к генераторам электрических сигналов, имеющий канал транспортировки газовой смеси к масс-анализатору. В отличие от прототипа, газовый медицинский масс-спектрометр, оснащенный интерфейсом транскутантного газа, содержит также устройство для сбора выдыхаемого газа и дополнительный канал транспортировки газовой смеси, который подключен через затвор-регулятор газового потока к интерфейсу транскутантного газа в области между входной диафрагмой и электродами и соединен с устройством для сбора выдыхаемого газа, а во входной диафрагме дополнительно установлен газовый затвор-регулятор с механизмом регулировки входящего потока транскутантного газа. За счет указанных признаков два газовых интерфейса - транскутантного и выдыхаемого газов, объединены в единое многофункциональное устройство с единой камерой ионизации различных газов.
Совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает возможность быстрой многофункциональной диагностики живого организма путем определения содержания метаболических биомаркеров на следовом уровне одновременно в выдыхаемом и транскутантном газах в режиме реального времени. Одновременная ионизация выдыхаемого газа и транскутантного газа в одном устройстве позволит впервые осуществлять сравнительный анализ масс-спектрального состава этих газов, наблюдать их относительную динамику, сравнивать содержание биомаркеров в них. Достигается уникальная возможность сопоставления динамической и структурной информации о протекании газовых метаболических процессов в различных органах и отделах живого организма. Например, транскутантный диффузионный выброс нелетучих гормонов из межклеточного пространства может быть зарегистрирован и сопоставлен с содержанием органических летучих компонентов в выдыхаемом газе, а также нелетучих белковых компонентов в парах слюнной жидкости. Для достижения таких уникальных возможностей в заявляемом устройстве два газовых потока смешиваются в единой камере ионизации в определенных пропорциях в широком диапазоне регулирования потоков, одновременно или в заданной временной последовательности ионизуются в заданных контролируемых условиях, а также при едином действии неконтролируемых значащих параметров, единообразно транспортируются и анализируются. Такая диагностическая процедура не может быть осуществлена двумя отдельными масс-спектрометрами с различными интерфейсами, а также одним масс-спектрометром с двумя независимыми газовыми каналами или с каналами, соединенными иным по отношению к заявляемому устройству образом.
Предлагаемое устройство показано на чертеже, где 1 - входной интерфейс транскутантного газа с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, 2 - катод, 3 - электроды дрейфового пространства, 4 - шибер, 5 - промежуточная диафрагма, 6 - вспомогательный ионный источник с электронным ударом, 7 - масс-анализатор масс-спектрометра, 8 - ионный сигнал, 9 - турбомолекулярный насос, 10 - форнасос, 11 - устройство для сбора выдыхаемого газа, 12 - канал транспортировки потока выдыхаемого газа с затвором-регулятором выдыхаемого газа 13, 14 - затвор-регулятор транскутантного газа с механизмом регулировки входящего потока транскутантного газа. Кружок обозначает область разряда, стрелка - траектории ионов. Контактные линии передачи для подключения электродов к генераторам электрических сигналов и сами генераторы на чертеже не показаны.
Катод 2 и электроды дрейфового пространства 3 составляют систему электродов, служащих для создания электрического поля, посредством которого осуществляют ионизацию исходной суммарной транскутантной и выдыхаемой газовой смеси. В совокупности с шибером 4 и промежуточной диафрагмой 5 указанная система электродов образует канал транспортировки нейтрального и ионизованного газов к масс-анализатору 7. Поток выдыхаемого газа из устройства для сбора выдыхаемого газа 11 поступает по каналу 12 непосредственно в область ионизации 1-2 и регулируется по интенсивности затвором-регулятором выдыхаемого газа 13 для соединения в определенных пропорциях или последовательной подачи транскутантной и выдыхаемой газовой смеси в режиме реального времени. С помощью газового затвора-регулятора транскутантного газа 14 с механизмом регулировки нажимного действия устанавливается требуемое давление, растягивающее поверхность кожи, и регулируется поток поступающего транскутантного газа. Для выполнения этих функций запорный клапан затвора-регулятора транскутантного газа 14 находится в положении, определяемом регулируемым давлением со стороны интерфейса 1 (например, действием пружины с жесткостью 1-10 Н/мм) и реакцией со стороны поверхности кожи.
Устройство работает следующим образом.
2
+
+
3
2
2
2
2
2
3
Устройство для сбора выдыхаемого газа 11 подключают к пациенту при закрытом затворе-регуляторе выдыхаемого газа 13. В камере анализатора масс-спектрометра 7 создают вакуумное разрежение с помощью насосов 9, 10. Входной интерфейс с входной поверхностью 1 и входной диафрагмой прижимают указанной входной поверхностью к участку кожи человека или животного, открывают шибер 4 и затвор-регулятор транскутантного газа 14, открывают затвор-регулятор выдыхаемого газа 13, тем самым устройство для сбора выдыхаемого газа 11 оказывается подключенным к вакуумному объему в области ионизации входного интерфейса 1. С помощью контактных линий подают электрические сигналы на электроды 2-3, установленные во входном интерфейсе непосредственно в области входной поверхности 1 и диафрагмы в ней, регулируют генераторы электрических сигналов, устанавливают требуемые параметры указанных электрических сигналов, получают поток ионов, направленных в анализатор масс-спектрометра 7, регулируют относительную интенсивность потока выдыхаемого газа с помощью затвора-регулятора выдыхаемого газа 13. Регулируют относительную интенсивность потока транскутантного газа с помощью затвора-регулятора транскутантного газа 14. Затвор-регулятор транскутантного газа 14 нажимного действия осуществляет одновременно две функции: открывает входное отверстие для поступления транскутантного газа в область ионизации и растягивает поверхность участка кожного покрова, усиливая диффузию транскутантных газов. При использовании пружинного нажимного механизма размер открытого проходного отверстия в затворе-регуляторе транскутантного газа 14 пропорционален величине растяжения участка кожного покрова. В канале транспортировки 2-6 обеспечивается дрейфовое движение полученных ионов, а также реакция ионизации передачей протона. Ионы со средней избыточной энергией порядка 0.25 эВ ускоряются в электрическом поле (порядка 10 В/см) при давлении приблизительно 1 Торp в канале транспортировки, образованном элементами 2-6. Производят структурный анализ поступающего в масс-анализатор 7 потока ионов, осуществляют интерпретацию полученного масс-спектра и делают вывод о результатах исследования. В интерфейсе вблизи входной поверхности 1 и катода 2 в присутствии пара воды, содержащегося в выдыхаемом и транскутантном газах, в электрическом поле получается поток ионов с содержанием активных ионов НО. Активные ионы взаимодействуют с выдыхаемым и транскутантным газами. Поскольку основные атомы и молекулы компонентов воздуха (Не, Н, Ne, Ar, O, Kr, N, Хе, СО, СО) имеют более низкие значения сродства к протону, они не ионизуются передачей протона и не дают ионного фона. Летучие органические молекулярные компоненты транскутантного и выдыхаемого газов имеют более высокое сродство к протону, чем молекула HO, поэтому они в реакциях взаимодействия с ионом НО приобретают протон с высокой вероятностью. Метод ионизации передачей протона является мягким, недиссоциативным, каждому нейтралу примеси соответствует только один образующийся ион, не распадающийся на фрагменты.
Совокупность отличительных признаков изобретения обеспечивает возможность быстрой многофункциональной диагностики живого организма путем определения содержания метаболических биомаркеров на следовом уровне одновременно в выдыхаемом и транскутантном газах в режиме реального времени, тем самым повышается эффективность применения устройства в медицинской науке и практике. Масс-спектральный состав выдыхаемой и транскутантной газовой смесей содержит большой объем медико-биологической информации, на основе которой могут быть сделаны диагностические заключения по широкому комплексу направлений исследования. Одновременная ионизация выдыхаемого газа и транскутантного газа в одном устройстве позволит впервые осуществлять сравнительный анализ масс-спектрального состава этих газов, наблюдать их относительную динамику, сравнивать содержание биомаркеров в них. Достигается уникальная возможность сопоставления динамической и структурной информации о протекании газовых метаболических процессов в различных органах и отделах живого организма. Например, транскутантный диффузионный выброс нелетучих гормонов из межклеточного пространства может быть зарегистрирован и сопоставлен с содержанием органических летучих компонентов, а также нелетучих белковых компонентов в выдыхаемой парогазовой смеси.