Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінутримуючій шкірі

Реферат: Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінутримуючій шкірі містить корпус та послідовно з'єднані оптичний блок з оптичним сенсором, блок керування, блок обчислень і дисплей. Оптичний сенсор містить світловод-опромінювач і фотоприймальний світловод, механічно з'єднаний з корпусом, та висувний вузол "фіксатор-насадка". Корпус має два отвори для фіксації вузла "фіксатор-насадка" в двох положеннях - "насадка висунута" і "насадка засунута". Робочу поверхню насадки висувного вузла "фіксатор-насадка" виконують зі скосом, рівним куту  , який визначають згідно з виразом: =arctg(tg-L/2h), де: h - відстань дистанційного зондування між шкірою та насадкою; L - відстань між осями передавального та приймального світловодів;  - кут, під яким опромінюють поверхню біотканини. UA 108755 U (12) UA 108755 U UA 108755 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медичної техніки, а саме до фотометрії для контролю оптичних і біологічних параметрів поверхневих шарів шкіри, зокрема концентрації гемоглобіну і кровонаповнення, і може бути використана в кардіології, анестезіології, хірургії, реанімації, неонатології, медицині катастроф та в спортивній медицині. З рівня техніки відомо пристрій для неінвазивного аналізу компонент крові людини згідно з патентом RU 2234853 [Діагностичний пристрій для вимірювання медико-біологічних параметрів шкіри і слизових оболонок in vivo, Рогаткін Д.О., Колбас В.В., 2004], згідно з яким опромінюють поверхню шкіри за допомогою світловода, спрямованого перпендикулярно до її поверхні, і приймають назад розсіяній потік фотоприймачем, діаграма спрямованості якого також спрямована перпендикулярно до поверхні, яка тестується. Пристрій містить джерело живлення, з'єднане з оптичною головкою, в якій розміщені фотоприймач з вхідним вікном і джерела випромінювання в зеленій, червоній та ІЧ областях спектра, блок управління роботою випромінювачів, блок обробки даних. Він додатково має джерело випромінювання в синій області спектра. Оптична головка виконана з центральною порожниною і радіальними відкритими порожнинами, стінки яких покриті світлопоглинаючим матеріалом, при цьому джерела випромінювання встановлені в радіальних порожнинах, а фотоприймач - у центральній, так що його вхідне вікно розташоване в площині робочої поверхні оптичної головки. Оптична головка може бути виконана у вигляді циліндра або у вигляді циліндра, що переходить у нижній частині на зрізаний конус. Джерела випромінювання в синій області спектра випромінюють енергію в діапазоні 460-490 нм, в ІЧ-області в діапазоні 900-950 і 960-990 нм. Головка забезпечена прозорим для зазначених довжин хвиль знімним ковпачком з оргскла чи поліетилентетрафталату та може комплектуватися еластичними або липкими ремінцями. Відома конструкція виносної волоконно-оптичної головки сенсора для неінвазивного вимірювання кровонаповнення живого тіла [Войтович І.Л., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори.-Інститут кібернетики, 2007. - 513 с., рис. 2.24, стор.111]. Вона містить корпус головки, насадку-діафрагму, оптичне волокно, фіксатор опромінювача, конусоподібний оптичний фокон, фотоприймач, попередній підсилювач струму, комбінований електричний та волоконнооптичний кабель. При цьому в біооб'єкті формується просторовий оптичний канал, що нагадує за формою банан [Войтович І.П., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. - Інститут кібернетики, 2007. 513 с., рис. 2.12, 2.24], який охоплює всі поверхневі шари шкіри, включаючи підшкірну жирову клітковину. Обчислення концентрації С гемоглобіну в шкірі здійснюється шляхом логарифмування відношення інтенсивності дифузійно розсіяних сигналів референтного Nr і вимірювального Nm каналів Х=Nr/Nm відповідно до формули: C=a*lnX-b, (1) де а і b - постійні, зумовлені конструкцією і режимом налагодження. Вдосконалена конструкція такого сенсора розкрита в UA 104195U [Волоконно-оптичний сенсор для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну, Мержвинський А.О., 2016], який містить волоконно-оптичний кабель, що включає послідовно з'єднані зовнішню ділянку двожильного джгута, внутрішню ділянку двожильного джгута, одножильні передавальну і приймальну петлі, оптоволокно-опромінювач і оптоволокно-фотоприймач, які закріплені в корпусі. Сенсор має П-подібну форму і складається з П-подібного корпусу, з'єднаної з ним Пподібної кришки і з'єднаної з корпусом і кришкою оптично непрозорої діафрагми діаметром D>(4-6)*t (t - середня довжина пробігу фотонів в біотканині) з отворами для передавального і приймального світловодів у вигляді оптоволокон. При цьому в першій стійці корпусу і полиці виконані порожнини для петлі опромінювача і внутрішньої ділянки оптичного кабелю, а торець другої стійки лежить в одній площині з торцем діафрагми. Цей пристрій взято за найближчий аналог. Його спільними ознаками з пропонованим є направлене опромінювання шкіри (зондування) монохроматичними випромінюваннями з довжинами хвиль 1=523±7 нм; 2=850±50 нм світловодом і формування вихідного оптичного сигналу шляхом направленого прийому зворотно розсіяних фотонів приймальним світловодом для подальшої реєстрації їх рівнів. Недоліками пристрою згідно з UA 104195 U є: - відсутність засобів, які дозволяють урахувати вплив меланіну; - складність фіксації головки на шкірі, внаслідок збільшеного перекидаючого моменту, створюваного кабелем. За прототип взято пристрій, розкритий в UA 108289 С2 [Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну, Войтович І.Д., Мержвинський А.О., Осадців І.В. та ін., 2015], який містить вхідний блок, перший вхід якого з'єднаний з вхідним пристроєм, другий вхідвихід зв'язаний з входом блока керування, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних 1 UA 108755 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 випромінювачів, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування. відрізняється тим, що в нього додатково введені індуктивний датчик, автогенератор, блок вимірювання зміщення частоти, формувач та інтерпретатор, причому індуктивний датчик з'єднаний з другим входом-виходом оптичної головки, третій вихід оптичної головки зв'язаний з входом автогенератора, вихід якого зв'язаний з першим входом блока вимірювання зміщення частоти, вихід якого з'єднаний з формувачем, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блока керування, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти, четвертий вихід оптичної головки є виходом пристрою. Спільними ознаками прототипу та пропонованого пристрою є непрозорий корпус головки, який має порожнини для світловодів опромінювача та приймача, вихідне вікно передавального світловоду, вхідне вікно приймального світловоду, волоконно-оптичний кабель. Проте, наявність в біотканині декількох оптичних поглиначів приводить до того, що оптичне випромінювання поглинається ними одночасно. Наприклад, при засмазі шкіри людини поглинання світла зеленого діапазону (520-570 нм) всередині шкіри відбувається як за рахунок загального гемоглобіну крові, так і за рахунок основного пігменту засмаги - меланіну. У цьому випадку, для роздільного визначення рівнів накопичення цих речовин в шкірі оптичними методами, освітлення необхідно проводити на декількох довжинах хвиль, використовуючи, наприклад, одну з довжин хвиль як опорну. Таким чином, основний недолік відомого рівня техніки - суттєве погіршення точності вимірів органів, шкіра яких містить меланін. Це пов'язано з тим, що меланін також сильно поглинає зондувальне випромінювання як і гемоглобін, що спотворює показання гемометра. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки пристрою для виміру концентрації гемоглобіну, в якому вплив меланіну враховується за рахунок реєстрації рівня випромінювання, дзеркально відбитого від шкіри пацієнта, який залежить від концентрації меланіну в шкірі, і врахуванням дзеркально відбитого випромінювання при обчисленні концентрації гемоглобіну (у вимірювальній функції). Поставлена задача вирішується шляхом: 1) виконання пристрою, який відрізняється тим, що оптичний блок містить оптичний сенсор, який включає світловод-опромінювач і фотоприймальний світловод, механічно з'єднаний з корпусом, та висувний вузол "фіксатор-насадка"; 2) улаштування двох отворів у корпусі, які дозволяють фіксувати насадку у двох положеннях - "висунута" і "засунута"; 3) виконання робочої поверхні насадки висувного вузла "фіксатор-насадка" зі скосом, рівним куту , який визначають згідно з виразом: =arctg(tg-L/2h), (2) де h - відстань дистанційного зондування; L - відстань між осями передавального та приймального світловодів;  - кут, під яким опромінюють поверхню біотканини. Таким чином, відмітними ознаками пропонованого пристрою є: - наявність в оптичному блоці вузла фіксатор-насадка; - здатність насадки переміщатися вздовж корпусу оптичного блока і забезпечувати режими контактного і дистанційного зондування; - скіс торця фіксатора-насадки в площині опромінювач-фотоприймач до поверхні шкіри на кут, рівний (2). Технічний результат полягає у підвищенні точності вимірювань концентрації гемоглобіну за рахунок врахування паразитного сигналу від меланіну, яка вносить похибку у величину виміряної концентрації гемоглобіну. Короткий опис ілюстрацій: Фіг. 1 - блок-схема пристрою згідно з корисною моделлю: 1 - оптичний блок, 2 - сенсор, 3 корпус, 4 - фіксатор, 5 - блок керування, 6 - інтерпретатор, 7 - дисплей. Фіг. 2 - конструкція вузла "насадка-фіксатор" з фотодіодом, який розташовано біля поверхні шкіри: 8 - діафрагма; 9 - оптоволокно, 10 - фотодіод з попереднім підсилювачем, 11 - вихідний електричний кабель, 12 - корпус, 13 - фіксатор; 14 - кільцева насадка, 15 та 16 - положення біооб'єкта при контактному та дистанційному зондуванні. Фіг. 3 - схеми контактного і дистанційного зондування у випадку використання оптоволокон в обох світловодах: 15 та 16 - положення біооб'єкта при контактному та дистанційному зондуванні, 17 та 18 - передавальний та приймальний світловоди, h - відстань дистанційного зондування, L - відстань між осями передавального та приймального світловодів,  - кут, під яким опромінюють поверхню біотканини,  - кут скосу робочої поверхні насадки. 2 UA 108755 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Конструкція пропонованого пристрою пояснюється на фіг. 1-3. В основній реалізації пристрій складається з: - оптичного блока 1, що містить послідовно з'єднані сенсор 2, корпус 3 і вузол насадкуфіксатор 4 (на фіг. 1 - у положенні "висунуто"). - блока керування 5 з АЦП, інтерпретатора 6 і дисплея 7, послідовно з'єднаних з оптичним блоком 1. На фіг. 2 наведена конструкція оптичного блока у вигляді виносної оптичної головки, яка містить діафрагму 8, оптоволокно 9, яке відносно поверхні шкіри має деякий нахил і закінчується опромінювачем у діафрагмі 8, фотодіод з попереднім підсилювачем 10, який розташовано на торці діафрагми 8, вихідний електричний кабель 11, з'єднаний з фотодіодом 10, корпус 12 з вилучаннями для фіксатора 13, кільцеву насадку 14, торець якої має скіс під кутом  (2) відносно до торця діафрагми. На фіг. 2 наведено положення біооб'єкта 15 (16) при контактному (дистанційному) зондуванні. На фіг. 3 наведено схему контактного зондування сенсором при використанні оптоволокон в передавальному 17 і приймальному 18 світловодах, схему дистанційного зондування при висуванні кільцевої насадки 14, та геометричні співвідношення між кутом  контактного опромінювання, висотою h та кутом скосу  насадки. Робота пристрою полягає в почерговому опроміненні шкіри оптоволокном 9 направленими вимірювальним Ріm (довжина хвилі 523 нм) та референтним Ріr (довжина хвилі 850 нм) потоками фотонів під деяким кутом  відносно поверхні органа з довжиною хвилі 523 нм та 850 нм. При цьому в біооб'єкті виникає певне світлове випромінювання у вигляді колімованого пучка фотонів, які розповсюджуються в біотканині [Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани. Уч. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО. - 2008. - 103 с.]. Частина цього випромінювання розсіюється в біообєкті "в деякій ділянці активації" та виходить з нього назовні у вигляді зворотно-розсіяного потоку світла [Войтович І.Д., Корсунский В.М. Інтелектуальні сенсори. - К: Інститут кібернетики. – 2007. - 514 c.]. Одночасно здійснюють реєстрацію розсіяних фотонів з напрямку центра розсіювання в об'єкті 15 при контактному зондуванні або 16 при дистанційному зондуванні і формування приймальним фотодіодом електричних сигналів. Електричні сигнали далі проходять підсилення в попередньому підсилювачі, АЦП породжує вихідні цифрові сигнали Nor і Nom, які передаються в інтерпретатор для обчислення концентрації. Інші деталі роботи та конструкції пристрою не стосуються пропонованої моделі та розкриті в прототипі UA 108289 С2. Порядок роботи з пристроєм включає такі дії (наведено лише з метою ілюстрації і не становить суті пропонованої корисної моделі): 1) Притискання оператором діафрагми 8 сенсора до поверхні шкіри тестованого органа 15, опромінення світловодом 9 її поверхні референтним Ріr і вимірювальним Pim потоками фотонів, формування фотодіодом з попереднім підсилювачем 10 і АЦП приладу вихідних електричних сигналів Nor і Nom. 2) Запис в пам'ять ПК результатів вимірювання референтного і вимірювального сигналів та концентрації гемоглобіну без урахування впливу меланіну згідно з виразом (1). 3) Опускання оператором насадки 14 і притискання торця насадки до поверхні шкіри. 4) Опромінення світловодом 9 шкіри тестованого органа в положенні 16 референтним Ріr і вимірювальним Pim потоками фотонів і одночасне формування фотодіодом з попереднім підсилювачем 10 і АЦП приладу вихідних електричних сигналів Nor та Nom. 6) Запис в пам'ять ПК результатів вимірювання референтного і вимірювального сигналів та величини поправки, що враховує наявність меланіну, обчисленої згідно з виразом: D=c*lnY-d, (3) де с і d постійні, обумовлені конструкцією приладу і режимом його налагодження, Y=Nms0/Nms - відношення сигналів дзеркального каналу, Nms0 - середньостатистичний або виміряний для конкретного пацієнта відлік дзеркального випромінювання вимірювального каналу незасмаглого органа, Nms - відлік дзеркального випромінювання вимірювального каналу. 7) Обчислення коригованої величини концентрації з урахуванням впливу меланіну на основі лінійного виразу: С=C0-D, (4) де C0 - значення концентрації без врахування меланіну (1), D - поправка, яка враховує вплив меланіну (3). 8) Індикація значення концентрації гемоглобіну (4) на дисплеї 7. 9) Піднімання, тобто засування насадки. 3 UA 108755 U 5 10 Пропонований пристрій промислово придатний, бо для його виготовлення потрібні технології, відомі в машинобудівній та електронній галузях промисловості України. Конструкційні матеріали, радіоелементи та інші компоненти, з яких виготовляється пристрій, є у вільному продажу в Україні. Технологія виготовлення пристрою відпрацьована в процесі виготовлення установчої партії з 5-ти дослідних зразків цифрових портативних ЕКГ-фотометричних комплексів, створених в рамках виконання проекту ІК-2015/2 в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАНУ, м. Київ. Конкретна реалізація пристрою та порядок роботи з ним у корисній моделі детально описані лише з метою ілюстрації. Зрозуміло, що на практиці люди, досвідчені в електроніці та фотометричній техніці, можуть внести деякі зміни і модифікації в конструкцію пропонованого пристрою. Проте, ми вважаємо, що зазначені зміни і модифікації у разі, якщо вони зроблені без суттєвих відхилень від даної корисної моделі, підпадають під її дію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну в меланінутримуючій шкірі, що містить корпус та послідовно з'єднані оптичний блок, блок керування, блок обчислень і дисплей, який відрізняється тим, що оптичний блок містить оптичний сенсор, який включає світловод-опромінювач і фотоприймальний світловод, механічно з'єднаний з корпусом, та висувний вузол "фіксатор-насадка"; корпус має два отвори для фіксації вузла "фіксаторнасадка" в двох положеннях - "насадка висунута" і "насадка засунута"; робочу поверхню насадки висувного вузла "фіксатор-насадка" виконують зі скосом, рівним куту  , який визначають згідно з виразом: =arctg(tg-L/2h), де: h - відстань дистанційного зондування між шкірою та насадкою; L - відстань між осями передавального та приймального світловодів;  - кут, під яким опромінюють поверхню біотканини. 4 UA 108755 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5