способ регистрации изменения энергетического показателя живого организма, устройство для его осуществления и способ изготовления термочувствительного элемента этого устройства (варианты)

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к инструментальным методам измерений, в том числе медицинских и биологических исследований, и может быть использовано в любых областях деятельности человека, требующих контроля и прогнозирования изменений общего состояния биологических объектов.

Известен способ определения локального потока энтропии человека (патент РФ №2290058, кл. А61В 5/01, G01K 17/00, 27.07.2004 г.), включающий измерение плотности теплового потока и температуры поверхности исследуемой зоны тела перципиента до, в ходе и после воздействия на него индуктора, расчет величины приращения удельной энтропии, приращения обмена удельной энтропией перципиента с окружающей средой, при этом измерения плотности теплового потока и температуры производят в одной или более биологически активных зонах одного или более перципиентов, измерения осуществляют при экзогенном или эндогенном информационном воздействии индуктора на перципиента, выбирают текущее, минимальное и максимальное приращения величины обмена удельной энтропией перципиента с окружающей средой, по которым рассчитывают степени хаоса Кх и порядка Кп, по которым производят расчет и оценивают исследуемый локальный поток энтропии.

Известен способ прогнозирования изменений функционального состояния организма человека (патент РФ №2226067, А61В 5/04, 10.07.2001 г.), в котором путем регистрации и анализа периодических сигналов активности организма, основанный на регистрации временной последовательности характерных точек сигнала, снимают периодический сигнал электрической или механической природы с произвольной части организма, производят расчеты, в том числе и динамические изменения разности текущего и условного начального индексов за время наблюдения и по уменьшению его значения дают прогноз ухудшения состояния, а по увеличению - улучшение состояния организма.

Однако указанные способы сложны в осуществлении и не позволяют получить за одно измерение комплексную оценку изменения энергетического состояния организма.

При этом не выявлено ни одного технического решения, позволяющего произвести оценку изменения энергетического показателя живого организма, таким образом, можно сказать, что ближайшего аналога не выявлено.

Предлагаемое изобретение решает задачу регистрации изменения энергетического показателя живого организма.

Указанная задача в части способа решается следующим образом. Способ регистрации изменения энергетического показателя живого организма заключается в том, что устанавливают в зоне измерений датчик, содержащий чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем, при этом в качестве чувствительного элемента датчика используют вещество, способное обратимо сорбировать и десорбировать вещества внешней среды, в процессе измерения производят периодические импульсные циклические воздействия источником энергии на чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем для принудительного изменения его термодинамических параметров, изменяя с заданной частотой термодинамические параметры датчика и локальную температуру поверхности датчика, регистрируют изменение электрического напряжения на нем, по полученным данным определяют коэффициент, характеризующий изменение энергетического показателя живого организма по формуле

$$K={\displaystyle {\int }_{t1}^{t2}\frac{U_1^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt+{\displaystyle {\int }_{t2}^{t3}\frac{U_2^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt$$ ,

где t1-t2 - время при включенном источнике энергии, t2-t3 - время при выключенном источнике энергии, U₁(t) - функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период включенного источника энергии, U₂(t) - функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период выключенного источника энергии, R_ц - сопротивление цепи (константа), T(t) - локальная температура датчика.

Преимущественно, в способе регистрации изменения энергетического показателя живого организма датчик, содержащий чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем, устанавливают в непосредственной близости от дыхательных путей живого организма, а периодические импульсные циклические воздействия источником энергии производят в процессе дыхания живого организма.

Указанная задача в части устройства решается следующим образом. Устройство для регистрации изменения энергетического показателя живого организма состоит из держателя, закрепленного на нем датчика, в свою очередь содержащего чувствительный элемент с предварительно обработанной тлеющим разрядом в вакууме рабочей поверхностью и нанесенным на нее сорбирующим слоем, связанный с датчиком преобразователь для перевода сигналов датчика в измеряемое изменение электрического напряжения, регистратор, источник энергии и связанный с ним генератор периодических импульсных сигналов, служащие для принудительного воздействия и изменения термодинамических параметров датчика.

Кроме того, указанная задача в части первого варианта способа изготовления чувствительного элемента датчика устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма решается таким образом, что для придания адгезионных свойств рабочей поверхности чувствительного элемента ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем чувствительный элемент помещают в коллоидный раствор веществ, образующих сорбирующий слой, после чего производят осаждение, например, центрифугированием, для создания сорбирующего слоя, затем производят термическую обработку чувствительного элемента с нанесенным на него сорбирующим слоем для закрепления последнего на рабочей поверхности чувствительного элемента, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя методами оптической и электронной микроскопии.

В части второго варианта способа изготовления чувствительного элемента датчика устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма, указанная задача решается таким образом, что для придания адгезионных свойств рабочей поверхности чувствительного элемента ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем наносят на нее слой гелеобразных веществ, образующих сорбирующий слой, затем производят быструю полимеризацию в парах кислот и высушивают, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя методами оптической и электронной микроскопии.

На рис.1 представлена блок-схема устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма.

На рис.2 представлен график изменения коэффициента, характеризующего изменение энергетического показателя живого организма, при физических нагрузках и действии лекарственного препарата на человека (испытуемого).

Устройство для регистрации изменения энергетического показателя живого организма содержит держатель 1, закрепленный на нем датчик 2, в свою очередь содержащий чувствительный элемент 3 (например, терморезистор NCP21WF104J03RA) с предварительно обработанной тлеющим разрядом в вакууме рабочей поверхностью 4 и нанесенным на нее сорбирующим слоем 5, связанный с датчиком 2 преобразователь 6 (например, на базе операционного усилителя AD620ANZ) для перевода сигналов датчика 2 в измеряемое изменение электрического напряжения и регистратор 7 (например, PIC18F2550-I/SP), соединенный с компьютером (например, посредством порта USB). Для принудительного воздействия и изменения термодинамических параметров датчика 2 устройство содержит источник 8 энергии и связанный с ним генератор 9 периодических импульсных сигналов.

В качестве держателя 1 датчика 2, в конкретном примере выполнения устройства, была использована дыхательная маска, позволяющая закрепить датчик 2 в зоне измерений в непосредственной близости (на расстоянии от 1 до 5 см) от дыхательных путей человека.

В основе предлагаемого способа регистрации изменения энергетического показателя живого организма и устройства для его осуществления лежит способность веществ, используемых в качестве рабочего тела, в устройствах, использующих круговой или циклический процесс, превращать энергию, полученную от внешнего источника энергии, в работу, которая, в свою очередь, изменяет внутренние свойства вещества рабочего тела (или его параметры), в соответствии с законом сохранения энергии. В качестве рабочего тела могут быть использованы жидкие или газообразные вещества.

В качестве сорбирующего слоя 5 чувствительного элемента 3 датчика 2 используется вещество, способное обратимо сорбировать и удерживать вещества внешней среды (рабочее тело), а при воздействии источника 8 энергии на чувствительный элемент 3 десорбировать вещества (рабочее тело) во внешнюю среду, и таким образом, в соответствии с законом сохранения энергии, совершать обратимый круговой процесс, в котором происходит превращение теплоты в работу или работы в теплоту. В качестве сорбирующего слоя 5 могут быть использованы иониты, смолы, микроорганизмы, любые другие субстанции или химические соединения, обладающие свойствами, описанными выше. Чувствительным элементом 3 может являться терморезистор, фоточувствительный элемент, инфракрасный фотодиод, индуктивный элемент или любое другое устройство, обладающее подобными свойствами.

В качестве источника 8 энергии, способного заставить вещество, удерживаемое чувствительным элементом 3 (влагу, микроэлементы, химические соединения, газы, ионы или другие вещества, удерживаемые чувствительным элементом), совершать работу по перемещению от чувствительного элемента 3 в окружающую среду, может являться квантовый генератор (например, лазер), инфракрасный излучатель, генератор электромагнитного поля, нагревательный элемент, любой другой источник энергии, обладающий свойствами, описанными выше для вещества, параметры которого нужно измерить. Для целей настоящего изобретения в качестве источника 8 энергии был применен лазерный диод LD-66201TU, с рабочими характеристиками 660 нм 200 mW.

В качестве генератора 9 периодических импульсных сигналов - генератор АНР-1002, работающий в импульсном режиме с амплитудой 5 В с длительностью положительного полупериода - 3 сек и длительностью отрицательного полупериода - 7 сек.

В предлагаемом изобретении сорбирующий слой 5, нанесенный на чувствительный элемент 3 датчика 2, способен без воздействия на него источника 8 энергии удерживать вещество, а при воздействии на него источником 8 энергии не препятствовать совершению работы этим веществом по перемещению в окружающую среду. Чувствительный элемент 3 датчика 2 - это устройство, меняющее свои электрические параметры при совершении работы веществом, параметры которого необходимо измерить, по перемещению от сорбирующего слоя 5 в окружающую среду и/или из окружающей среды к сорбирующему слою 5. Для целей настоящего изобретения был использован терморезистор NCP21WF104J03RA, а в качестве сорбирующего слоя 5 - силикагель Davisil 633 с размером частиц 35-75 мкм (200-425 меш), нанесенный на рабочую поверхность 4 чувствительного элемента 3 датчика 2.

По первому варианту изготовление термочувствительного элемента 3 датчика 2 устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма выполняют следующим образом. Для придания адгезионных свойств рабочей поверхности 4 термочувствительного элемента 3 ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем термочувствительный элемент 3 помещают в коллоидный раствор веществ (например, кремниевой кислоты), образующих сорбирующий слой 5, после чего производят осаждение, например, центрифугированием, для создания сорбирующего слоя 5, затем производят термическую обработку термочувствительного элемента 3 с нанесенным на него сорбирующим слоем 5 для закрепления последнего на рабочей поверхности 4 термочувствительного элемента 3, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя 5 методами оптической и электронной микроскопии.

По второму варианту изготовление термочувствительного элемента 3 датчика 2 устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма выполняют следующим образом. Для придания адгезионных свойств рабочей поверхности 4 термочувствительного элемента 3 ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем наносят на нее слой гелеобразного вещества (например, гель кремниевой кислоты), составляющего сорбирующий слой 5, затем производят быструю полимеризацию в парах кислот и высушивают, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя 5 методами оптической и электронной микроскопии.

Использование полученного чувствительного элемента 3 одним из изложенных выше способов в предлагаемом устройстве позволяет достичь поставленной задачи регистрации изменения энергетического показателя живого организма.

Циклический процесс работы датчика состоит из двух этапов.

В первой фазе работы устройства для оценки энергетического состояния биологического объекта отсутствует воздействие на термочувствительный элемент 3 датчика 2 источником 8 энергии (источник 8 энергии выключен), при этом происходит накопление вещества из окружающей среды сорбирующим слоем 5, нанесенным на термочувствительный элемент 3, т.е. совершается работа по перемещению вещества из окружающей среды в сорбирующий слой 5.

Во второй фазе работы устройства для оценки энергетического состояния биологических объектов на термочувствительный элемент 3 воздействует источник 8 энергии (источник 8 энергии включен), при этом накопленное в сорбирующем слое 5 вещество возвращается в окружающую среду, т.е. совершается работа по перемещению вещества в окружающую среду из сорбирующего слоя 5.

Генератор 9 периодических импульсных сигналов, электрически подключенный к источнику 8 энергии, должен периодически включать и выключать источник 8 энергии, обеспечивая тем самым циклический процесс работы датчика, состоящий из двух фаз, описанных выше. Временные интервалы фаз зависят от свойств биологического объекта (живого организма), параметры которого нужно измерить, от свойств сорбирующего слоя 5 и от времени установления термодинамического равновесия с окружающей средой во второй фазе работы устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма при воздействующем источнике 8 энергии (т.е. когда источник энергии 8 включен).

Способ регистрации изменения энергетического показателя живого организма осуществляют следующим образом.

Устанавливают датчик 2, содержащий чувствительный элемент 3 с нанесенным на его рабочую поверхность 4 сорбирующим слоем 5, в зоне измерений (например, в непосредственной близости от дыхательных путей испытуемого). В конкретном примере реализации способа, на человека надевают дыхательную маску, на которой закреплен датчик 2, и проводят измерения либо в спокойном состоянии, либо в процессе его активной деятельности. Как было сказано ранее, в качестве чувствительного элемента 3 датчика 2 используется вещество, способное обратимо сорбировать и удерживать вещества внешней среды (рабочее тело), а при воздействии источника 8 энергии на чувствительный элемент 3 десорбировать вещества (рабочее тело) во внешнюю среду, и таким образом, в соответствии с законом сохранения энергии, совершается обратимый круговой процесс, в котором происходит превращение теплоты в работу или работы в теплоту, где в качестве рабочего тела могут быть использованы жидкие, твердые и газообразные вещества. Для этого, в процессе дыхания испытуемого производят периодические импульсные циклические воздействия источником 8 энергии на термочувствительный элемент 3 с сорбирующим слоем 5 для принудительного изменения его термодинамических параметров.

При этом регистрируют, с заданной частотой, изменения электрического напряжения на датчике 2. По полученным данным определяют величину коэффициента, характеризующего изменение энергетического показателя живого организма, по следующей формуле:

$$K={\displaystyle {\int }_{t1}^{t2}\frac{U_1^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt+{\displaystyle {\int }_{t2}^{t3}\frac{U_2^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt$$

где K - коэффициент, характеризующий изменение энергетического показателя живого организма, t1-t2 - время при включенном источнике энергии, t2-t3 - время при выключенном источнике энергии, U₁(t) -функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период включенного источника энергии, U₂(t) - функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период выключенного источника энергии, R_ц - сопротивление цепи (константа), T(t) - локальная температура датчика.

По полученным значениям могут судить об энергетическом состоянии биологических объектов (живых организмов), об изменениях состояния, а по увеличению или уменьшению определяемых показателей осуществляют прогноз их состояния (например, биомедицинский прогноз).

Устройство позволяет регистрировать и определять изменение энергетического состояния живого организма, определять обобщенный параметр, комплексно зависимый от влажности, температуры и скорости потока выдыхаемого воздуха, который характеризует изменение энергетического состояния (энтропии) биологического объекта.

Была проведена серия экспериментов по определению изменения показателя энергетического состояния организма человека.

Пример 1. Исследуемый пациент И. страдает ишемической болезнью сердца. Измерения проводили при различных нагрузках и в состоянии покоя пациента, а также после приема лекарственного препарата («Нитроминт»), результаты исследований приведены на рис.2, где представлена оценка коэффициента, характеризующего изменение энергетического показателя живого организма, в виде графика зависимости энергетического состояния человека во времени, определенной в процессе проведения испытаний. Точка 1 - состояние покоя (измерение в течение 3 мин), точка 2 - интенсивное дыхание (3 мин), точка 3 - физическая нагрузка - приседания (3 мин), точка 4 - восстановление после нагрузки (измерение через 35 мин), точка 5 - быстрое восстановление после приема лекарственного препарата (измерение через 5 мин).

Пример 2. Было обследовано 20 человек различных возрастных групп, страдающих различными заболеваниями, и практически здоровые. В зависимости от возраста и состояния здоровья они были отнесены к 4 различным категориям. По результатам исследований была проведена оценка изменения энергетического показателя каждого человека, построены графики зависимости энергетического показателя во времени. Установлено, что достоверные результаты получаются при испытаниях как в процессе нагрузок, так и в состоянии покоя. При этом получение данных происходит непрерывно. Также проведен анализ состояния группы риска, страдающих болезнями сердца, до и после приема лекарственных препаратов. По изменению коэффициента, характеризующего изменение энергетического показателя живого организма, можно мгновенно корректировать дозировку препаратов для пациентов, производить замену лекарственных средств.

В результате использования предлагаемого способа появляется возможность индивидуальной оценки текущего состояния биологического объекта (живого организма) и долгосрочных прогнозов состояния как здоровых людей, занятых в сферах с большими физическими и интеллектуальными нагрузками, так и больных различных патологий.

Изменение коэффициента, характеризующего изменение энергетического показателя живого организма, предлагается как новый параметр оценки и прогнозирования индивидуального физиологического состояния человека (спортсменов различных возрастных групп, военнослужащих и др.). Кроме того, предлагаемый способ позволяет быстро оценить изменения в состоянии больных сердечнососудистыми, легочными заболеваниями, в период послеоперационного восстановления, оценить необходимость и эффективность приема быстродействующих лекарственных средств.

Предлагаемая оценка энергетического показателя состояния организма, наряду с известными физиологическими показателями, такими как: частота пульса, артериальное давление, температура тела и пр., представляет быстро и непрерывно измеряемую обобщенную индивидуальную характеристику состояния организма. Предлагаемое изобретение можно использовать так же, например, и при проведении клинических испытаний новых лекарственных средств на животных, например, мышах.

1. Способ регистрации изменения энергетического показателя живого организма, заключающийся в том, что устанавливают в зоне измерений датчик, содержащий чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем, при этом в качестве чувствительного элемента датчика используют вещество, способное обратимо сорбировать и десорбировать вещества внешней среды, в процессе измерения производят периодические импульсные циклические воздействия источником энергии на чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем для принудительного изменения его термодинамических параметров, изменяя с заданной частотой термодинамические параметры датчика и локальную температуру поверхности датчика, регистрируют изменение электрического напряжения на нем, по полученным данным определяют коэффициент, характеризующий изменение энергетического показателя живого организма по формуле
$$K={\displaystyle {\int }_{t1}^{t2}\frac{U_1^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt+{\displaystyle {\int }_{t2}^{t3}\frac{U_2^2(t)}{R_{ц}T(t)}}dt,$$
где t1-t2 - время при включенном источнике энергии;
t2-t3 - время при выключенном источнике энергии;
U₁(t) - функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период включенного источника энергии;
U₂(t) - функция электрического напряжения для указанных фиксированных периодов времени в период выключенного источника энергии;
R_ц - сопротивление цепи (константа);
T(t) - локальная температура датчика.

2. Способ регистрации изменения энергетического показателя живого организма по п.1, отличающийся тем, что датчик, содержащий чувствительный элемент с нанесенным на него сорбирующим слоем, устанавливают в непосредственной близости от дыхательных путей живого организма, а периодические импульсные циклические воздействия источником энергии производят в процессе дыхания живого организма.

3. Устройство для регистрации изменения энергетического показателя живого организма, состоящее из держателя, закрепленного на нем датчика, в свою очередь, содержащего чувствительный элемент с предварительно обработанной тлеющим разрядом в вакууме рабочей поверхностью и нанесенным на нее сорбирующим слоем, связанный с датчиком преобразователь для перевода сигналов датчика в измеряемое изменение электрического напряжения, регистратор, источник энергии и связанный с ним генератор периодических импульсных сигналов, служащие для принудительного воздействия и изменения термодинамических параметров датчика.

4. Способ изготовления чувствительного элемента датчика устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма, заключающийся в том, что для придания адгезионных свойств рабочей поверхности чувствительного элемента ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем чувствительный элемент помещают в коллоидный раствор веществ, образующих сорбирующий слой, после чего производят осаждение, например, центрифугированием, для создания сорбирующего слоя, затем производят термическую обработку чувствительного элемента с нанесенным на него сорбирующим слоем для закрепления последнего на рабочей поверхности чувствительного элемента, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя методами оптической и электронной микроскопии.

5. Способ изготовления чувствительного элемента датчика устройства для регистрации изменения энергетического показателя живого организма, заключающийся в том, что для придания адгезионных свойств рабочей поверхности чувствительного элемента ее предварительно обрабатывают тлеющим разрядом в вакууме, затем наносят на нее слой гелеобразных веществ, образующих сорбирующий слой, затем производят быструю полимеризацию в парах кислот и высушивают, после чего проводят контроль толщины и качества получаемого сорбирующего слоя методами оптической и электронной микроскопии.