устройство для мониторинга жидкой биологической среды

Формула изобретения

Устройство для мониторинга жидкой биологической среды, содержащее установленные последовательно источник света, оптическую систему формирования светового пучка, кювету с протекающей через нее биологической жидкой средой, спектрометр, контроллер, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вычислительный управляющий блок, блок управления параметрами регистрации и настройки спектрометра, блок обработки текущего значения спектра, блок управления параметрами мониторинга, таймер, блок входных данных, блок обработки, блок выходных данных, дисплей, блок алгоритмов, при этом вычислительный управляющий блок соединен с одной стороны с контроллером, а с другой стороны - с блоком управления параметрами регистрации и настройки спектрометра и блоком входных данных, который, в свою очередь, соединен с блоком управления параметрами мониторинга, при этом первый выход вычислительного управляющего блока соединен с входом блока обработки текущего спектра, выход которого соединен с дисплеем, а второй выход вычислительного управляющего блока соединен с последовательно соединенными таймером, блоком обработки и блоком алгоритмов, который соединен с дисплеем и блоком выходных данных, при этом выход блока обработки текущего спектра соединен с входом таймера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физикe, а именно к исследованию и анализу материалов с помощью оптических сред, и может быть использовано для непрерывного контроля состава жидкой биологической среды, например, в процессе гемодиализа.

Одним из распространенных методов для поддержания жизни больных с почечной недостаточностью является гемодиализ, основанный на переносе через полупроницаемую мембрану низкомолекулярных токсических веществ из циркулирующей крови в диализный раствор.

Современная аппаратура для определения концентрации выводимых веществ чаще всего основана на химических методах анализа пробы, а это требует соответствующих расходных материалов, длительного времени (около 5 мин), что не дает достоверной информации о количестве выведенных веществ.

Известны способ и устройство мониторинга атмосферных примесей (SU N 1800325 G 01 N 21/59 10.12.90 г.). Сущность способа заключается в следующем. Формируют неизотропный пучок в контролируемом районе и таком его направлении, что часть его энергии после взаимодействия с составляющими атмосферы и примесями попадает на приемную часть монитора, фокусируют излучение. Выделяют спектральные линии контролируемой примеси и определяют ее концентрацию по характеристикам линий. Формирование неизотропного пучка наземного излучателя производят в зоне и на высоте над поверхностью, подлежащих контролю, путем преобразования в световой пучок. Выделение спектральных линий осуществляют из линейно поляризованной части рассеянного излучения с тангенциальным распределением направлений поляризации вокруг излучателя, с устранением вклада фонового излучения путем вычитания тангенциально и радиально поляризованных потоков, а концентрацию примесей определяют по поляризованным эмиссионным линиям в спектре рассеяния излучения. Устройство, реализующее способ состоит из источников света, объектива, формирователя, измерительного устройства, образованного объективом, поляризационно-пространственным фильтром, линзами, спектральным устройством, диафрагмой и приемником излучения.

Известные способ и устройство не могут быть использованы для мониторинга протекающей жидкой биологической среды.

Известно устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения (RU N 2024846 G 01 N 21/27, 02.03.92 г.). Сущность изобретения: устройство содержит источники оптического излучения, монохроматоры, фокусирующие линзы, оптические затворы, полупрозрачное зеркало, измерительную кювету, объектив, диафрагмы, фотоприемники, логарифматор, усилители низкой частоты, синхронные детекторы, интегрирующее звено, блоки питания, фильтры нижних частот, самопишущий вольтметр, генератор низкой частоты. Устройство обеспечивает автоматизацию измерения путем синхронизации перестройки монохроматора, и уменьшают погрешность измерения благодаря автоматическому регулированию интенсивности излучения. Известное устройство представляет собой довольно сложную оптико-электронную систему, которая не позволяет производить мониторинг протекающей биологической среды.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении достоверности информации и расширении контролируемых показателей протекающей жидкой биологической среды.

Поставленная задача решена следующим образом.

Мониторинг жидкой биологической среды, например, компонент диализной жидкости в процессе гемодиализа, основанный на формировании светового пучка источника сплошного спектра в контролируемой зоне жидкой биологической среды, разложении прошедшего излучения в спектр, заключается в том, что перед началом мониторинга пропускают поток светового излучения через кювету с растворами исследуемых компонент известной концентрации, разлагают прошедшее излучение в спектр и определяют участок спектра, включающий все полосы поглощения исследуемых компонент, затем в этом участке определяют изменение характеристик поглощения и вычисляют спектральные коэффициенты корреляции динамики поглощения для каждой исследуемой компоненты, потом пропускают световой поток через кювету с протекающей через нее жидкой биологической средой, разлагают прошедшее излучение в спектр и измеряют коэффициент пропускания жидкой среды, а затем по спектральным коэффициентам корреляции динамики поглощения исследуемых компонент рассчитывают концентрацию исследуемых компонент.

Устройство для мониторинга жидкой биологической среды содержит установленные последовательно источник света, оптическую систему формирования светового пучка, кювету с протекающей через нее биологической жидкой средой, спектрометр, контроллер и отличается тем, что оно дополнительно содержит вычислительный управляющий блок, блок управления параметрами регистрации и настройки спектрометра, блок обработки значения спектра, блок управления параметрами мониторинга, таймер, блок входных данных, блок обработки, блок выходных данных, дисплей, блок алгоритмов, при этом вычислительный управляющий блок соединен с одной стороны с контроллером, а с другой стороны с блоком управления параметрами регистрации и настройки спектрометра и блоком входных данных, который, в свою очередь, соединен с блоком управления параметрами мониторинга, при этом первый выход вычислительного управляющего блока соединен с входом блока обработки текущего спектра, выход которого соединен с дисплеем, а второй выход вычислительного управляющего блока соединен с последовательно соединенными таймером, блоком обработки и блоком алгоритмов, который соединен с дисплеем и блоком выходных данных, при этом выход блока обработки текущего спектра соединен с входом таймера.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - спектрограмма динамики изменения спектров пропускания диализной жидкости; на фиг. 3, 4 - графики изменения концентрации креатинина и мочевины; на фиг. 5, 6 - графики количества выводимых уремических токсинов.

Устройство мониторинга жидкой биологической среды содержит источник света 1, оптическую систему формирования пучка 2, кювету 3 с протекающей через нее биологической жидкостью, многоканальный спектрометр 4, разлагающий прошедшее через среду излучение в спектр, контроллер 5, вычислительный управляющий блок 6, блок управления параметрами регистрации и настройки спектрометра 7, блок обработки текущего спектра 8, дисплей 9, блок управления параметрами мониторинга 10, таймер 11, блок входных данных 12, блок обработки 13, блок выходных данных 14, блок алгоритмов 15.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника света 1 оптической системой 2 направляют на выделенную зону кюветы 3 с исследуемой проточной биологической средой и фокусируют прошедшее через кювету излучение на входной щели многоканального спектрометра 4, который представляет собой полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, расположенной на круге Роуленда. Решетка фокусирует спектральное распределение потока излучения на линейке фотоприемников. Спектральная область, в пределах которой излучение разлагается в спектр, определяется параметрами решетки (число штрихов на единицу длины, углом профиля штриха и т.п.). Число элементов линейки фотоприемников соответствует числу регистрируемых спектральных составляющих (числу регистрируемых каналов). Ширина отдельного элемента линейки пропорциональна усредняемому при отдельном измерении участку спектра. Соответствие номера канала длине волны определяется при спектральной калибровке спектрометра. Электрические сигналы с выхода каждого элемента линейки фотоприемников преобразуются в цифровой код и считываются контроллером 5 в оперативную память вычислительного управляющего блока 6. Управление режимом работы спектрометра проводится по сигналам вычислительного блока.

Перед началом мониторинга в кювету наливают жидкость, не содержащую контролируемых в процессе мониторинга веществ и являющуюся эталоном сравнения (дистиллированная вода, растворитель, базовый растворитель и т.п.). С помощью блока управления параметрами регистрации и настройки спектрометра 7 устанавливают режим работы спектрометра и измеряют спектр 100%-ного сигнала и спектр темнового тока фотоприемников. В блоке обработки текущего спектра 8 рассчитывается спектр пропускания излучения, прошедшего через кювету в данный момент времени. Минимальное время считывания всего спектра определяется инерционностью фотоприемников, временем накопления (длительность экспозиции спектра на линейке фотоприемников) и числом выборок при усреднении. Эти параметры устанавливаются блоком 7. Рассчитанный текущий спектр пропускания выводится на экран дисплея 9. Затем в кювету помещают растворы исследуемых компонент с известной концентрацией, раскладывают прошедшее излучение в спектр и определяют участок спектра, который включает все характерные полосы поглощения исследуемых компонент. На этом участке спектра определяют изменение характеристик поглощения и вычисляют спектральные коэффициенты корреляции динамики поглощения для каждой исследуемой компоненты. Эти коэффициенты затем вводят в блок входных данных 12 и определяют участок спектра, в пределах которого будет производится анализ.

Режим мониторинга исследуемой биологической среды устанавливают в блоке 10, где указывается длительность процесса мониторинга, периодичность контроля, скорость протекания жидкости через кювету, тип исследуемой жидкости. Исследуемую биологическую жидкость направляют в кювету и включают таймер 11. С этого момента на экране дисплея отображается спектр пропускания исследуемой жидкости в данный момент времени. Для современных фотодиодных линеек минимальное время считывания спектра не превышает нескольких миллисекунд. С учетом длительности экспозиции и количества выборок усреднения время считывания одного спектра и расчета спектра пропускания составляет 1-10 с. Эта величина определяет периодичность смены графического отображения спектра на экране. По управляющей команде таймера, соответствующей установленному интервалу режима мониторинга, текущий спектр, находящийся в данный момент времени в оперативной памяти, поступает в блок обработки 13. В этом блоке выделяется матрица значений спектральных коэффициентов пропускания исследуемой жидкости, соответствующая установленной спектральной области. Расчет концентрации контролируемых компонент производится по определенным формульным зависимостям. При проведении расчета используются спектральные коэффициенты корреляции контролируемых компонент и определяются значения концентрации этих компонент, соответствующие минимальной ошибке. Анализ результатов расчетов осуществляется в блоке алгоритмов 15 по установленным пороговым величинам в следующей последовательности: проверка на отсутствие контролируемых компонент в жидкости; последовательная проверка на наличие только одной из компонент, проверка на наличие комбинации компонент. Результат анализа записывается в блок выходных данных 14 и выводится на экран дисплея 9 в виде зависимости концентрации от времени. После этого устройство возвращается в режим обработки текущего спектра, который продолжается до следующего управляющего сигнала таймера, после чего начинается новый цикл расчетов. По окончании установленного времени мониторинга в блоке выходных данных формируется банк данных, включающий время и значение концентраций для каждой компоненты в течение всего сеанса мониторинга через установленные промежутки времени.

Ниже приведен пример мониторинга процесса гемодиализа.

Мониторинг состава диализной жидкости (диализата) выходной магистрали аппарата "Искусственная почка" с целью определения концентрации и объема удаляемых в процессе гемодиализа уремических токсинов.

Устройство мониторинга было подключено к выходной магистрали аппарата "Искусственная почка" в отделении гемодиализа больницы N 15 г. Санкт-Петербург и контролировало процесс пяти сеансов гемодиализа больных, получающих лечение по поводу хронической почечной недостаточности (ХПН III степени). Скорость кровотока составляла 300-350 мл/мин. Скорость потока диализата 500-700 мл/мин. Длительность процедуры до 4 ч. Использовались капиллярные диализаторы фирмы Fresenius F-6HPS, F-8HPS. Пробы диализата исследовались через 5-10 мин, начиная с исходного. Контролировалось содержание в диализате уремических токсинов - креатинина и мочевины, выводимых из крови больного в процессе сеанса. Параллельно проводился лабораторный контроль ряда проб на содержание в них креатинина и мочевины стандартным биохимическим методом на аппарате "Assay St-lab". Сравнение результатов контрольной проверки и показаний устройства показало, что относительная погрешность измерений не превышает 10%, а абсолютная погрешность определения концентрации составила по креатинину не более 0,013 ммоль/л, по мочевине 0,24 ммоль/л.

Вид спектрограммы динамики изменения спектров пропускания диализной жидкости в процессе сеанса гемодиализа одного из больных представлен на фиг. 2. Длительность процесса мониторинга составила 4 ч, интервал между измерениями 10 мин. На приведенных зависимостях указано время, прошедшее с момента начала сеанса. На фиг. 3,4 приведены временные графики изменения концентрации креатинина и мочевины для данного сеанса, рассчитанные по заявляемому способу. Полученные данные позволили составить временные графики количества выводимых уремических токсинов, представленные на фиг. 5 - для мочевины и на фиг. 6 - для креатинина. Отметим, что временные графики динамики концентрации и объема выведения выводились на экран дисплея в процессе сеанса и врач мог контролировать ход процедуры. Одновременно вычислялся относительный показатель эффективности сеанса - отношение количества выведенных токсинов на килограмм массы больного.

Полученные результаты позволили объективно оценить эффективность процесса гемодиализа, выработать конкретные рекомендации по длительности процедуры, скорости диализата и кровотока для отдельного больного.