устройство для неинвазивного определения содержания кислорода в тканях полярографическим методом

Формула изобретения

1. Устройство для неинвазивного определения содержания кислорода в живых тканях полярографическим методом, содержащее датчик, накладываемый на кожу, включающий в себя анод и катод, изготовленные из разных металлов, а также полярограф, выполненный в виде блока обработки и регистрации полезного сигнала и блока питания, к которому подключены анод и катод датчика, отличающееся тем, что датчик выполнен с возможностью непосредственного контакта с кожей, а между катодом и анодом дополнительно установлен экранный электрод, охватывающий катод и выполненный из того же металла, что и анод, при этом экранный электрод выполнен с возможностью контакта с кожей и электрически соединен с анодом, с которым связан блок обработки и регистрации полезного сигнала полярографа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод и экранный электрод выполнены в виде концентрически расположенных колец, охватывающих катод, установленный в центре датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для диагностики, точнее для определения содержания кислорода в мышечной ткани, и может быть использовано для оценки процессов переноса и утилизации кислорода в системе микрососудов и тканей их окружающих, т.е. позволяет определить кислородный баланс тканей.

Данный параметр является определяющим для ранней диагностики таких заболеваний, как сахарный диабет, заболевания щитовидной железы, нарушения коронарного кровоснабжения, гипертония и другие заболевания сердечно-сосудистой системы, поскольку нарушение обеспечения тканей кислородом является одним из ведущих элементов патогенеза перечисленных заболеваний. Кроме того, знание динамики изменений содержания кислорода в тканях позволяет объективно оценить эффективность проводимых лечебных мероприятий и проводить дифференцированный подбор медикаментозных средств.

Разработка устройств, позволяющих определять содержание кислорода в тканях полярографическим методом в клинической практике, проводится более 30 лет (В.Г.Вогралик, М.В.Вогралик, И.В.Курочкин. "Применение в клинике комплексной полярографии по кислороду и водороду как метода изучения кислородообеспечения и капиллярного кровотока в тканях". - Терапевтический архив, т. XLLX, 1977 г., стр.117-123).

В настоящее время достаточно хорошо разработаны устройства для определения in vivo содержания кислорода в тканях с помощью игольчатых электродов, т.е. инвазивно (Е.А.Коваленко, В.А.Березовский, И.М.Эпштейн. "Полярографическое определение кислорода в организме". - М.: Медицина, 1975; М.В.Вогралик, И.В.Курочкин. "Установка для одномоментного определения в ткани окислительно-восстановительного потенциала концентрации свободного кислорода и местного кровотока". - Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, т. LХХXII, 1976 г. , стр.1015. Методические рекомендации Министерства здравоохранения РСФСР "Метод экспресс-диагностики активности атеросклероза для массовой диспансеризации" под ред. проф. В.Г.Вогралика. - г. Горький, ГМИ им. С.М.Кирова, 1987 г.). Эти известные устройства для определении содержания О₂ в тканях содержат датчик, включающий в себя катод в виде иглы из драгметалла и анод, а также полярограф, к которому подключены анод и катод датчик. Игольчатый катод в данной конструкции вводится внутрь ткани пациента на нужную глубину, а анод, как правило, в виде хлорсеребряной пластинки устанавливается (фиксируется) на поверхности кожи вблизи области введения игольчатого катода. С помощью полярографа на электроды подается требуемое для полярографического определения кислорода напряжение (600 - 650 мВ) и регистрируется ток, протекающий в системе "электроды-ткань", который является диффузионным "кислородным током" и пропорционален концентрации кислорода в ткани. Общим существенным недостатком устройств данной конструкции является то, что применять их можно только инвазивно. К тому же они имеют низкую стабильность полезного сигнала и очень сложны в эксплуатации. Введение иглы вызывает местный спазм мышц, нарушает нормальный кровоток и кислородообмен и требуется определенное время, чтобы пациент пришел в исходное состояние.

В настоящее время известно устройство для неинвазивного определения содержания кислорода в тканях полярографическим методом (В.И.Козловский, М.Н. Микулич. "Устройство для определения напряжения кислорода в коже и артериальной крови". - Здравоохранение Белоруссии, 1984 г., 6, стр.67-69), которое выбрано в качестве прототипа. Данное устройство содержит датчик, накладываемый на кожу, включающий в себя анод, изготовленный в виде отрезка трубы, и катод, выполненный в виде отрезка проволоки и расположенный внутри упомянутого полого анода, а также полярограф, к которому подключены катод и анод датчика. При этом анод и катод помещены в раствор электролита, находящийся в электролитической ячейке. Существенным условием работы такого датчика является полная изоляция электролитической ячейки от окружающей биологической среды тефлоновой пленкой толщиной 6 мкм, пропускающей только молекулы О₂ и некоторых других газов, которая и контактирует с кожей. Датчик снабжен также термостатирующим электрическим устройством, обеспечивающим стабильность поддержания требуемых температур (37^oС и 42^oС) с точностью 0,1^oС. Устройство-прототип позволяет измерять содержание кислорода в коже.

Однако известное устройство является сложным в эксплуатации и имеет ограниченное применение в клинической практике.

Недостатком этого устройства-прототипа является также и то, что измерения содержания кислорода in vivo можно проводить только в слое кожи, т.к. информация из более глубоких слоев ткани не поступает. Кроме того, поскольку тефлоновая мембрана является для кислорода не полностью прозрачной, а полупрозрачной, то она обуславливает достаточно высокую инерционность измерений. Поэтому устройство-прототип не обладает требуемым быстродействием для измерения динамики содержания О₂.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка устройства для неинвазивного определения содержания кислорода в тканях организма, которое обладает достаточным быстродействием для проведения измерений в реальном масштабе времени и удобно для применения в клинической практике.

Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что оно, как и устройство-прототип для неинвазивного определения содержания кислорода в живых тканях, содержит датчик, накладываемый на кожу, включающий в себя анод и катод, изготовленные из разных металлов, а также полярограф, к которому подключены анод и катод датчика.

Новым в разработанном устройстве является то, что датчик выполнен таким образом, что анод и катод при измерениях контактируют непосредственно с кожей, а между указанными анодом и катодом дополнительно введен экранный электрод, охватывающий катод с зазором и выполненный из того же металла, что и анод, при этом экранный электрод при измерениях также контактирует с кожей и электрически соединен с анодом таким образом, что имеет потенциал анода, а блок полярографа по обработке и регистрации полезного сигнала установлен в цепи анода.

Целесообразно в одном частном случае анод и экранный электрод выполнить в виде концентрически расположенных колец, охватывающих катод, установленный в центре датчика.

В другом частном случае целесообразно анод выполнить в виде нескольких пластин, изготовленных из одного металла и одинаковых по площади, и при измерениях установить их на различных участках тела, а блок обработки и регистрации установить в электрической цепи каждой пластины анода.

На фиг.1 представлена блок-схема разработанного устройства для неинвазивного определения содержания кислорода в живых тканях.

На фиг.2 представлена фотография внешнего вида одной из реализаций разработанного устройства.

На фиг.3 представлена полярограмма, характеризующая динамику кислорода в мышечных тканях здорового человека при озонотерапии или вдыхании кислорода.

На фиг.4 представлена полярограмма, характеризующая динамику кислорода в мышечных ткани больной с дискогенной радикулопатией.

На фиг.5 представлена полярограмма, характеризующая динамику кислорода в мышечных ткани больной с сахарным диабетом.

Устройство для неинвазивного определения содержания кислорода в живых тканях (см. фиг. 1) содержит датчик 1, включающий в себя катод 2, анод 3 и экранный электрод 4, охватывающий катод 2 с зазором. При измерениях все электроды датчика 1 контактируют непосредственно с кожей пациента. Катод 2 и анод 3 выполнены из разных металлов и подключены соответственно к отрицательному и положительному электродам блока питания 5 в полярографе 6. Экранный электрод 4, выполненный из того же металла, что и анод 3, электрически соединен с анодом 3 таким образом, что при измерениях имеет его потенциал. Для регистрации диффузионного "кислородного тока" служит блок 7 по обработке и регистрации полезного сигнала, входящий, как и блок питания 5, в полярограф 6.

Как следует из фиг.1, положительный электрод блока питания 5 электрически соединен с блоком регистрации 7, который в свою очередь электрически соединен с анодом 3. Для разделения постоянного напряжения блока питания 5, подаваемого на анод 3 через блок обработки и регистрации 7, и полезного переменного сигнала с анода 3 внутри блока 7 имеется развязывающая электрическая цепочка, общее схемотехническое решение которой может иметь, например, вид известной индуктивно-емкостной развязки. Сопротивление индуктивности указанной развязки подобрано достаточно большим для переменного полезного сигнала, а для постоянного тока блока питания 5 это сопротивление практически равно нулю, поэтому экранный электрод 4 и анод 3 находятся под одним и тем же потенциалом. В то же время указанная емкость в блоке 7 служит развязкой по постоянному току блока питания 5 и пропускает переменный полезный сигнал от анода 3 к усилителю и далее к индикатору полезного сигнала. Таким образом, в полярографе обеспечивается независимость постоянного управляющего напряжения блока питания 5 и переменного сигнала с анода 3.

Пример 1 конкретной реализации устройства

Датчик 1 (см. фиг. 1) выполнен в виде двух узлов, в первый из которых входят катод 2 и экранный электрод 4, жестко укрепленные на одной диэлектрической подложке, а второй узел датчика 1 представляет собой анод 3, выполненный в виде отдельной прямоугольной металлической пластины площадью 4020 мм, которая при измерениях накладывается на участок тела на расстоянии 100150 мм от первого узла. При этом катод 2 выполнен в виде тонкого латунного стержня диаметром 1 мм с закругленным концом, покрытым электролитическим золотом толщиной 6 мкм. Экранный электрод 4 выполнен из никеля вакуумного плавления марки НИВО в виде кольца прямоугольного сечения с наружным диаметром 30 мм, внутренним диаметром 20 мм и толщиной 5 мм. Катод 2 расположен в центре кольца экранного электрода 4. Величина зазора между катодом 2 и экранным электродом 4 порядка 10 мм. Анод 3 также выполнен из никеля марки НИВО. Полярограф 6 выполнен в виде отдельного узла и содержит блок питания 5 и блок 7 обработки и регистрации полезного сигнала. В качестве полярографа 6 может быть использован отечественный полярограф марки ППТ-1. При его отсутствии блок 6 может быть собран с использованием стандартного РН-метра в качестве блока регистрации полезного сигнала (см., например, описание аналога "Метод экспресс-диагностики для массовой диспансеризации активности атеросклероза". - Методические рекомендации Министерства здравоохранения. - г. Горький, 1987 г. , стр.7, рис.3). Кроме того, в качестве блока 7 обработки и регистрации полезного сигнала, включенного в цепь анода 3, может быть использован обычный стрелочный прибор или самописец.

Пример 2 конкретной реализации разработанного устройства

Датчик 1 (см. фиг.1 и 2) выполнен в виде единого узла, в котором анод 3 и экранный электрод 4 выполнены в виде концентрически расположенных колец из никеля, охватывающих катод 2, установленный в центре, причем все три электрода закреплены на одной диэлектрической подложке. Анод 3 (наружное кольцо датчика) имеет внешний диаметр 40 мм, а внутренний - 30 мм при толщине кольца 5 мм, а экранный электрод 4 имеет внешний диаметр 20 мм, внутренний диаметр 10 мм при толщине кольца 5 мм. Катод 2 выполнен, как и в примере 1, в виде тонкого латунного стержня с золотым покрытием на конце. Датчик 1 крепится к телу пациента, например, при помощи эластичного бинта. Электроды датчика 1 присоединены к полярографу 6, выполненному в виде отдельного узла и содержащему блок питания 5 и блок 7 обработки и регистрации полезного сигнала.

Разработанное устройство работает следующим образом.

Датчик 1, выполненный, например, как указано в примере 1, укрепляют на теле пациента, например на предплечье, при этом катод 2, экранный электрод 4 и анод 3 контактируют непосредственно с кожей. Необходимо отметить, что без присутствия экранного электрода 4 при контакте катода 2 и анода 3 с кожей между ними при подаче напряжения, соответствующего волне кислородного тока, протекает ток, большая часть которого (более 90%) приходится на поверхностный ток, текущий по коже, и только малая его часть (менее 10%) приходится на ток мышечных тканей, содержащий информацию о кислородном насыщении тканей. Установка экранного электрода 4 из материала анода и находящегося под потенциалом анода позволяет исключить (экранировать) поверхностный ток из тока, протекающего в цепи анода 3 за счет создания для него своей электрической цепи: отрицательный электрод блока питания 5, катод 2, поверхность кожи, экранный электрод 4, находящийся под напряжением анода, и положительный электрод блока питания 5. Выполнение экранного электрода 4 из того же металла, что и анод 3 позволяет исключить возникновение между ними ЭДС гальванической пары и тем самым исключить возникновение соответствующего паразитного тока.

Таким образом, благодаря наличию экранного электрода 4, в цепи самого анода 3 протекает лишь ток из нижерасположенной мышечной ткани, регистрируемый блоком 7 и содержащий информацию о кислородном насыщении этой ткани, что позволяет увеличить по сравнению с прототипом глубину проникновения в исследуемые ткани. Кроме того, поскольку разработанная конструкция устройства не требует наличия тефлоновой мембраны в датчике 1, обуславливающей в прототипе его большую инертность, то быстродействие разработанного устройства значительно выше, чем у прототипа. На практике разработанное устройство позволяет проводить неинвазивные измерения содержания кислорода в мышечных тканях в реальном масштабе времени. Таким образом, разработанное устройство позволяет решить поставленную задачу.

Представляет интерес измерение с помощью разработанного устройства динамики содержания кислорода в мышечных тканях пациента как в целях диагностики, так и в целях определения эффективности процедур, связанных с изменением кислородного режима пациента, таких, например, как различного вида процедуры аппаратной терапии или прием соответствующих медикаментов. Вид кривой кислородосодержания ("кислородного тока") I в мышечных тканях от времени t в норме (т. е. у практически здоровых людей) при вдыхании кислорода широко известен (см., например, рис.4 описания аналога, прилагаемого к заявке, и фиг. 3 описания заявки).

С помощью разработанного устройства определена динамика потребления и утилизации кислорода в мышечной ткани при различных патологиях у конкретных пациентов областной клинической больницы (ОКБ) им. H.А.Семашко г. Нижнего Новгорода. Снятые зависимости "кислородного тока" I от времени t для указанных ниже пациентов представлены на фиг.3-5 описания заявки.

На фиг. 3 представлена полярографическая кривая "кислородного тока" от времени практически здорового человека (Сергеев С.Ю., возраст 32 года, доброволец, практически здоров) при проведении пробы с 30-секундной ингаляцией кислорода. Для этого датчик 1 устанавливался обследуемому на предплечье. С помощью блока питания 5 между катодом 2 и анодом 3 датчика подавалось напряжение, соответствующее полярографической волне кислорода. Начальное значение I_нач диффузионного "кислородного тока" регистрировалось по стрелочному прибору блока 7 обработки и регистрации. После чего, включая секундомер и фиксируя время начала ингаляции, обследуемому давали в течение 30 сек дышать кислородом. При появлении на стрелочном приборе прироста "кислородного тока" по секундомеру отмечали длительность t₀ латентного периода, имеющую важное диагностическое значение. Затем непрерывно с шагом 10 сек регистрировались измеренные по стрелочному прибору значения "кислородного тока", которые представлены на фиг. 3. Информативными с точки зрения диагностики являются следующие измеренные и указанные на фиг.3 параметры:

- t₀ - длительность латентного периода;

- t₁ - время насыщения кислородом тканей до максимальной величины I_макс "кислородного тока";

- I_макс - максимальная величина кислородного тока;

- t₂ - время утилизации кислорода тканями (длительность совпадающего участка кривой);

- I_ост - остаточное значение "кислородного тока", определяемое утилизированным кислородом.

Три первых параметра (t₀ - длительность латентного периода, t₁ - время насыщения тканей кислородом и I_макс) характеризуют состояние сосудистой системы организма. Два последних параметра (t₂ - время утилизации кислорода и I_ост) характеризуют обменные процессы в тканях.

На фиг. 4 представлена полярографическая кривая "кислородного тока" от времени больной Ш., 36 лет из нейрососудистого отделения ОКБ им. Н.А.Семашко при поступлении, история болезни 9805543.

Клинический диагноз: Дискогенная радикулопатия L₅-S₁ справа с умеренным болевым синдромом.

Разработанный прибор и полученные с его помощью полярографические кривые "кислородного тока" использовались для уточнения диагноза больной Ш. и для оценки эффективности озонотерапии, назначенной данной больной.

На фиг. 5 представлена полярографическая кривая "кислородного тока" от времени больной С., из эндокринологического отделения ОКБ им. H.А.Семашко. История болезни 9809361.

Клинический диагноз: Сахарный диабет 2-го типа (стаж заболевания 8 лет), осложненный дистальной полинейропатией.

Полученные для данной больной с помощью разработанного прибора полярографические кривые "кислородного тока" от времени использовались для оценки обменных процессов в тканях с целью уточнения диагноза и для оценки эффективности проводимого курса лечения.

Сравнение полярографических кривых в норме и при различных патологиях показывает, что разработанное устройство дает существенные различия во временных параметрах микроциркуляции, что хорошо коррелирует с характером и тяжестью заболевания.