ПРОБООТБОРНИК ДЛЯ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области анализа компонентов в выдыхаемом воздухе, в частности к устройствам и приспособлениям для оценки состояния органов дыхания.
В последнее время в медицинской практике метаболические нарушения в организме человека отслеживаются с помощью газовых анализаторов (в частности, с применением газовых капиллярных хроматографов и других датчиков). При анализе состава выдыхаемого воздуха выявляют низкие концентрации таких органических летучих веществ (метаболитов) как толуол, ацетон, бензол, альдегиды, изопрен и др. вещества, и отклонение концентрации метаболитов от медицинской нормы свидетельствует о наличии болезней и расстройств. В самом простом варианте анализаторы (алкотестеры) улавливают концентрацию только паров алкоголя в выдыхаемом воздухе, и такие устройства широко используются на практике. Однако, медицинские анализаторы воздуха ("breathalyzer") требуют более точного разрешения хроматограмм летучих веществ и более высокой точности при измерении интенсивности пиков индивидуальных веществ. Медицинские анализаторы выдыхаемого воздуха становятся удобным и практичным инструментом в диагностике, и повышение точности газового анализа является важной задачей.
Поэтому медицинские газоанализаторы оснащают пробоотборниками, которые позволяют провести несколько измерений из одной пробы. К таким устройствам-пробоотборникам предъявляются разумные гигиенические требования, необходимые для работы с больными. Часто пробоотборники выполняются в одноразовом исполнении, или со сменным одноразовым нагубником (патрубком) для пользователя.
Многие серийно выпускаемые газоанализаторы оснащены одноразовыми пластиковыми надувными пакетами с заглушками, и воздух для анализа отбирается из пластиковых пакетов.
Известен патент RU 2363381 (заявка от 25.12.2007), раскрывающий способ обнаружения онкологических заболеваний легких, при котором пациент должен заполнить выдыхаемым воздухом пакет-баллон с перекрываемым клапаном, и такой пакет с объемом более 5 литров используется для последующего хроматографического анализа на гелий (повышенная концентрация атомов гелия в воздухе указывает на течение онкологического процесса).
Задача осушения выдыхаемого воздуха для целей газового анализа решается в патенте RU 2266045 (заявка от 14.01.2004) пропусканием влажного (с каплями) воздуха над холодной и горячей сторонами элемента Пельтье.
Описанные подходы имеют ряд недостатков, которые повышают стоимость и продолжительность анализа.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является насадка к анализатору, описанной в патентной заявке US 2007/0093725A1 "Dual entry collection device for breath analysis" (заявка от 26.04.2007). В патентной заявке описана трубка-коллектор с двумя открытыми концами. Входное отверстие анализатор-сенсора имеет непосредственное сообщение с отверстием в трубке-коллекторе. Такое простое устройство позволяет уменьшить попадание атмосферного воздуха к месту подключения газового сенсора и позволяет продуть трубку-коллектор после проведения измерений. Кроме того, светодиодные датчики на противоположном конце трубы сообщают пользователю, когда можно начать процесс выдоха, когда следует его закончить, а также доводят качественную информацию о результатах анализа выдыхаемого воздуха (смеси газов).
Вместе с тем, описанное устройство имеет ряд недостатков. К трубе-коллектору подсоединен датчик-индикатор концентрации мгновенного действия, и отобрать несколько проб воздуха в воспроизводимом режиме при такой конфигурации нет возможности. В описанном устройстве отсутствуют приспособления для удаления капелек влаги, всегда присутствующих в выдыхаемом влажном воздухе. Возможна конденсация влаги на стенках трубки-коллектора и на датчике летучих органических соединений.
Целью заявленного технического решения является создание конструктивно простого пробоотборника, который можно подсоединить к газовому хроматографу-анализатору. Для повышения точности анализа состава выдыхаемой газовой смеси, влияние окружающего воздуха на спектр летучих веществ должно быть минимально (атмосферный воздух не смешивается с газовыми пробами, идущими на анализатор из пробоотборника), а также присутствие влаги в отбираемых пробах сводится к минимуму.
Общая схема устройства в виде полезной модели приведена на Фиг.1.
Пробоотборник для газового анализа включает следующие компоненты. В термостат 1 помещается две спиралевидные трубки 4 и 5, причем спиралевидная трубка 4 соединена с входным патрубком 3 и нагубником 2, через которые обследуемый пациент осуществляет выдох для последующего анализа. Трубки 4 и 5 соединены с тройником 6, через который осуществляется отбор газовых проб на анализатор газов (который может быть оборудован также дополнительными датчиками газовых компонентов, например, датчиком концентрации СO2). Рабочий цикл отбора проб управляется с помощью блока коммутации 11. Устройство включает также блок питания 13, воздушный. насос 10, клапан 12, тройник 8, газовый фильтр 9.
Клапан 12 и насос 10 находятся под управлением блока коммутации 11. Спиралевидные трубки 4 и 5, а также соединительные тройники 6 и 7 выполнены из любого инертного твердого материала. Подходящим материалом для этих элементов может быть стекло или биологически инертный пластик. В предпочтительном варианте устройства спиралевидные трубки 4 и 5 изготовлены из полифторэтилена (тефлоновые трубки). Выбор такого инертного пластика позволяет избежать попадания микроколичеств летучих примесей, которые испускаются обычным (неинертным) пластиком. Использование тефлоновых трубок 5 и 6 определяется тем, что тефлон практически не удерживает на поверхности материалы-аналиты, т.е. практически не растворяет их, и, таким образом, легко очищается до исходного состояния при простой продувке трубок очищенным воздухом.
Термостат 1 может иметь жидкостное или воздушное наполнение, в предпочтительном варианте исполнения термостат 1 является воздушным термостатом, где теплый воздух подвергается принудительной циркуляции в объеме термостата 1.
Воздушный фильтр 9 является обычным аэрозольным фильтром, который удерживает частицы пыли и влаги, присутствующие в помещении.
Патрубок 2 имеет в своей средней части расширение диаметра и также имеет ряд тонких внутренних ребер для захвата и удержания капелек влаги, содержащейся в смеси выдыхаемых газов. Такая расширенная геометрия приводит оседанию (сегментации) капелек влаги внутри патрубка. Нагубник 2 и входной патрубок 3 являются одноразовыми изделиями и выпускаются из любого вида пластика, применяемого в медицине.
Устройство работает следующим образом. Пациент производит выдох через одноразовый нагубник 2 и патрубок 3. Далее газовая смесь под действием повышенного давления выдыхаемого воздуха проходит через спиралевидные трубки 4 и, заполняя их. Спиралевидные трубки 4 и 5 вместе с соединительным тройником 6 помещены в термостат 1, где поддерживается температура выше начальной температуры выдыхаемого воздуха. Внутренняя температура термостата 1 задается в интервале 38-50 С°. При прохождении через трубки 4 и 5 газовая смесь выдыхаемого воздуха подогревается до температуры термостата, что исключает возможность конденсацию влаги на стенках трубок. Смесь выдыхаемых газов (содержащая летучие вещества, анализируемые газовым анализатором и требуемые для диагностики дыхания пациента) отбирается из объема спиралевидных трубок через тройники 6 и 8 в виде газовых проб на входе газоанализатора 7.
Газовый анализатор 7 находится под управлением персонального компьютер (ПК) 14.
С блока питания 12 подается питающее напряжение на газовый анализатор 7 и блок коммутации 11. Блок коммутации 11 управляет термостатом 1, который обычно содержит термопреобразователь и вентилятор, и обеспечивает требуемую постоянную температуры для трубок 4, 5 и тройника 6 внутри термостата 1.
После окончания анализа газовых проб нагубник 2 и патрубок 3 отсоединяются от устройства (расходные компоненты устройства). Далее сигнал от блока коммутации 11 открывает клапан 12 и включает воздушный насос 10. Атмосферный воздух через фильтр 9 поступает через открытый клапан 12 и тройники 8 и 6, и далее воздух продувает спиралевидные трубки 4 и 5, очищая их от остатков анализируемой газовой смеси. Через небольшой интервал времени трубки 4 и 5 продуты атмосферным воздухом и устройство-пробоотборник готово к повторной операции по приему порции газовой смеси для анализа.
Таким образом, газовая смесь в тройниках 6 и 8 и соединенных с ними спиралевидных трубках 4 и 5 изолирована от атмосферного воздуха во время поставки в газоанализатор 7, что это создает условия для многократного и более точного определения компонент выдыхаемой газовой смеси, включая макрокомпоненты (концентрацию углекислого газа) и микрокомпоненты (например, кетоны и альдегиды).
2
Дополнительно, система пробоотборник - газовый анализатор может быть оснащен измерителем расхода (объема) выдыхаемого воздуха и датчиком (сенсором) концентрации углекислого газа (CO) или других макрокомпонент в выдыхаемой газовой смеси.
При расчете рабочих объемов за 100% принимается объем газов смеси, выдыхаемого обследуемым пациентом. В рамках раскрытого устройства, объем двух спиралевидных трубок 4 и 5 должен быть в 3-10 раза меньше среднего объема выдоха пациента (объем выдоха взрослого человека составляет 2-3 л). Объем пробы, достаточный для газового анализа микрокомпонентов (кетоны, альдегиды), составляет, как правило, не более 10 мл (5-20%) от среднего объема выдоха. Таким образом, данное устройство позволят подать на вход газового анализатора 7 три-четыре порции (пробы) газа с неизменной концентрацией измеряемых компонентов. Усреднение показаний газового анализатора по 3-4 пробам газа позволяет повысить точность анализа концентраций компонентов, что отвечает заявленному техническому результату.
Согласно описанию полезной модели, был собран и протестирован макет пробоотборника для газового анализа выдыхаемого воздуха.