УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2002 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к области электрохимических исследований в медицине, в частности, при определении концентрации калия в организме человека при контроле физиологического состояния организма человека.

Калий, как известно, является внутриклеточным катионом, а натрий находится во внеклеточном пространстве. Это создает такой электрический потенциал на мембранах, когда возбудимость невелика и преобладает состояние покоя. Выход калия из клеток повышает нервную возбудимость и реактивность.

У здорового человека поддерживается высокий тонус парасимпатической нервной системы, а также гормонами коры надпочечников, а именно глюкокортикоидами.

В случае нарушения нейрогуморальных механизмов в уровнях патологии, а именно снижение тонуса парасимпатической нервной системы и снижения функции коры надпочечников (снижения секреции глюкокортикоидов и относительного преобладания минералокортикоидов), калий вытесняется из клеток и состояние покоя сменяется повышенной возбудимостью ряда физиологических систем - нервной, сердечной, мышечной, кровеносных сосудов. С патофизиологической точки зрения болезни калийного профиля приравниваются к снижению тонуса вагуса гиперальдостеронизму, потере калия. Артериальная гипертония, экстрасистолия, пароксизмальная тахикардия и другие нарушения сердечного ритма являются следствием нарушения возбудимости миокарда. Это сочетается со снижением фазы сердечных сокращений и болями в сердце колющего характера. Все эти факторы, как правило, возникают из-за снижения концентрации калия в организме человека, приводящего к гипокалиемии. Потеря калия приводит к задержке воды. Отеки - ведущая черта патогенеза калия.

С другой стороны, повышенное содержание калия в определенные дни - дни овуляции в менструальном цикле женщины служит ценным диагностическим тестом для женщин с бесплодием, являясь маркером происшедшей овуляции, маточной имплантации, а также показателем лютеиновой функции.

Оба эти фактора были положены в основу разработанного способа и устройства, позволяющего на ранней стадии обнаружить симптомы многих заболеваний, так или иначе связанных с изменением содержания калия в организме человека, или же определять вероятность наступления овуляции у женщин. Известны устройства, в которых в качестве неинвазивного объекта исследования бралась слюна, количественное соотношение состава секрета слюнных желез которой позволяет косвенно оценивать содержание калия в организме человека.

Принцип действия устройства основан на определении концентрации калия, содержащегося в слюне человека, с помощью полярографического метода на твердых электродах.

Известно, что при включении неподвижных твердых электродов в цепь тока вначале наблюдается бросковый ток, а затем ток падает во времени. При этом наблюдается прямая пропорциональность между величиной диффузионного тока и концентрацией диффундирующего вещества (Делимарский Ю.К. Полярография на твердых электродах, 1970)

где δ - толщина эффективного слоя, зависящая от температуры, см;
n - число электронов, вступающих в реакцию, для калия n=1;
А - площадь измерительного электрода, см²;
D - коэффициент диффузии, см²•с^-1;
F- число Фарадея, F=96493 К;
С - концентрация реагирующего вещества - калия, ммоль/литр.

Влияние толщины эффективного слоя δ на температуру будет почти постоянным ввиду постоянства температуры слюны человека.

Бросковые токи, полученные в определенных условиях, правильно характеризуют явление концентрационной поляризации, а за время броскового тока на электроде восстанавливается незначительное количество вещества, определяемого напряжением поляризации.

Концентрационные изменения распространяются от электрода вглубь электролита слюны на незначительное расстояние. Поэтому если электроды после возникновения броскового тока накоротко замкнуть, они быстро деполяризуются и обновляют поверхность. Бросковые токи не чувствительны к сотрясениям и вибрациям, так как обусловлены диффузией в очень тонких приэлектродных слоях. Условия поляризации в методе бросковых токов близки к условиям поляризации для ртутного капельного электрода. Электроды включаются таким образом в электрическую цепь, что обеспечивается деполяризация и устраняются изменения, вызванные предшествующим ходом электролиза, то есть стандартизуются поверхности электродов и приэлектродный слой электролита слюны.

При этих условиях в электролите слюны будет наблюдаться нормальный диффузионный ток, отражающий количество калия в слюне. Сила этого тока, связанного с электрохимическим процессом, пропорциональна поверхности электродов и потенциалу разряда исследуемых ионов. Щелочные металлы, к которым относится калий, восстанавливаются на твердом электроде при весьма отрицательных потенциалах. На фоне хлоридов, содержащихся в слюне, ионы щелочных металлов дают хорошо выраженный диффузионный ток со значением потенциала полуволны для калия равным -2,17 В.

Другой щелочной металл, натрий, имеет потенциал восстановления -2,15 В и оказывает некоторое мешающее действие, однако концентрация его в слюне невелика по сравнению с калием. Учитывая этот фактор и точно устанавливая потенциал разряда на датчике, можно существенно уменьшить мешающее действие натрия, хотя принципиального значения в данном случае это не имеет.

Наиболее близким аналогом предложенного устройства контроля физиологического состояния организма человека является устройство согласно патенту 2128943 от 09.04.1998 г., содержащее датчик-анализатор, соединенный через последовательно соединенные усилитель и интегрирующее звено с основным микроконтроллером, на выходе которого подключен блок индикации, соединенный с блоком управления и основным микроконтроллером.

К недостаткам известного устройства относится низкая точность определения концентрации калия, невозможность контроля физиологического состояния организма человека непосредственно во время измерения концентрации калия.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения концентрации калия непосредственно во время измерения.

Указанная задача решена за счет того, что устройство контроля физиологического состояния организма человека, содержащее датчик-анализатор, соединенный через последовательно соединенные усилитель и интегрирующее звено с основным микроконтроллером, на выходе которого подключен блок индикации, соединенный с блоком управления и основным микроконтроллером, отличается тем, что в нем датчик-анализатор соединен с источником опорного напряжения при помощи дополнительного микроконтроллера, при этом усилитель, основной микроконтроллер и блок индикации соединены с блоком управления.

На фиг. 1 представлено устройство контроля физиологического состояния организма человека, предложенное в данном изобретении; на фиг.2 приведена блок-схема устройства и соединения отдельных блоков; на фиг.3 приведена принципиальная схема устройства, обеспечивающая измерение физиологических параметров, на фиг.4 представлен датчик-анализатор, на фиг.5 - кривая изменения диффузионного тока по дням овуляции у женщин.

Предлагаемое устройство позволяет:
1) в области гинекологии:
- определение вероятности овуляции у здоровых женщин с целью необходимой контрацепции или планирования даты зачатия;
- определение возможных заболеваний, так или иначе влияющих на репродуктивную систему женщины;
- контроль за эффективностью проводимой терапии при лечении женского бесплодия;
2) в области профилактической терапии:
- контроль за уровнем калия в организме человека, определяющего функциональное состояние органов и систем человека;
- предупреждение о развитии опасных заболеваний, являющихся сдерживающим фактором от перегрузок организма человека.

Устройство содержит датчик-анализатор 1, выполненный в виде закрепленных в держателе 2 из диэлектрика электродов 3, электрически соединенных выводами 4 с измерительным блоком (фиг.1, 3, 4).

Конструктивно датчик выполнен в виде миниатюрного цилиндрического узла, содержащего два электрода из нейтрального материала - стеклоуглерода СУ-2000, причем измерительный электрод имеет активную поверхность, в 5 раз меньшую, чем вспомогательный электрод, уменьшая тем самым отрицательное воздействие поляризации.

Выполненный по периметру датчика буртик 5 служит для надежного удержания исследуемого электролита слюны (фиг.4).

Выводы датчика присоединяются методом пайки к контактным площадкам стеклотекстолитовой подложки, на которых с помощью токопроводящего клея крепятся стеклоуглеродные элементы датчика. Для исключения влияния анизотропии материала датчик заливается эпоксидным компаундом так, чтобы боковые поверхности элементов были надежно защищены от контакта с исследуемым электролитом.

Конструкция датчика имеет вид, показанный на фиг.4.

Датчик-анализатор 1 соединен через последовательно соединенные усилитель 6 и интегрирующее звено 7 с основным микроконтроллером 8, на выходе которого подключен блок индикации 9, соединенный с индицирующими светодиодами 10, 11. Источник опорного напряжения 12 соединен с блоком управления 13 и основным микроконтроллером. Усилитель 6 работает в режиме пик-детектрора и имеет на выходе интегрирующее звено 7 для расширения импульса. Основной микроконтроллер состоит из аналого-цифрового преобразователя 14, связанного с запоминающим устройством 15 и схемой сравнения 16, на выходе которой включена схема индикации 17, соединенная с блоком индикации 9. Таймер 18 соединен с аналого-цифровым преобразователем 14, схемой сравнения 16 и схемой индикации 17.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал со входа микроконтроллера поступает на аналого-цифровой преобразователь 14 и далее в режиме "настройка" подается в запоминающее устройство 15. В режиме тестирование происходит сравнение приходящего сигнала с величиной сигнала в запоминающем устройстве и напряжением питания. В зависимости от полученного сравнительного сигнала схема индикации выдает следующие сигналы. Если напряжение питания снижается ниже 2,5 В, происходит попеременное мигание зеленого и красного светодиодов в течение 20 с. Если входной сигнал отсутствует, то это указывает на отсутствие слюны на датчике и мигает только красный светодиод в течение 5 с. Если сигнал меньше нижнего порога, фиг.5, светятся два красных светодиода в течение 10 с. Если сигнал в пределах между верхним и нижним порогами, светится зеленый светодид 10 в течение 10 с. Если сигнал выше верхнего порога, светится красный светодиод 11 в течение 10 с.

Нижний порог U_min=180 мВ, устанавливаемый программой микроконтроллера, соответствует концентрации калия в слюне ниже 5 ммоль/литр. Верхний порог устанавливается автоматически исходя из величины входного импульса при настройке устройства потребителем и составляет: U_max=U_имп.+1/16U_имп..

Верхний порог устанавливается автоматически по величине входного сигнала при настройке устройства на 2-5 день после менструации, когда уровень калия в слюне имеет стабильное значение.

Добавка в 1/16U_имп. установлена экспериментально и может изменяться только при программировании микроконтроллера.

Блок индикации 9 на выходе микроконтроллера 8 преобразует сигналы, поступающие с выходов микроконтроллера 8 на индицирующие светодиоды.

На выходе блока индикации 9 формируются выходные напряжения, поступающие на 3 светодиода. Один из светодиодов 10 имеет 2 кристалла - зеленый и красный, поэтому в зависимости от сформированного сигнала светится красный или зеленый светодиод.

Питание устройства осуществляется от источника опорного напряжения 12, выдающего на своем выходе 2,5 В при изменении входного от 3 до 2,7 В.

Напряжение питания на датчик-анализатор 1 поступает через второй микроконтроллер 6, выполняющий в данном случае функцию задерживающего звена с временем задержки 20 мс. Этого достаточно, чтобы при включении всего устройства кнопкой Кн прошли все переходные процессы, которые могли бы привести к сбою в работе устройства. Кнопка включения Кн и литиевая батарея с напряжением 3 В, питающая все устройство, находятся в блоке управления 13. В исходном состоянии все блоки устройства обесточены и находятся в режиме "сон". Общий ток потребления при этом не превышает 2 мкА. При включении кнопки Кн алгоритм работы устройства описывается программным ядром и состоит в следующем.

1. При нажатии кнопки, когда основной микроконтроллер 8 находится в режиме "сон", происходит локальное прерывание (через вывод 5) и пробуждение микроконтроллера, кроме того, напряжение подается на стабилизатор (источник опорного напряжения) 12, а далее с него стабилизированным напряжением запитываются дополнительный микроконтроллер 19 и операционный усилитель 6, и через 20 мс дополнительный микроконтроллер подает стабилизированное напряжение на датчик-анализатор, и таким образом начинается тестирование.

2. Далее происходит опрос порта (вывод 6), к которому подключен вывод NO_ERROR стабилизатора напряжения. В случае появления логического 0 на входе порта микроконтроллер переходит в режим индикации разряда батарей питания: попеременное мигание зеленого и красного светодиодов в течение 20 с. Затем микроконтроллер переходит в режим "сон".

3. Если опрос порта не выявил понижение опорного напряжения, происходит оцифровка значения аналогового входа (вывод 7) микроконтроллера, выполняется серия аналого-цифровых преобразований в течение приблизительно 10 мc. Оцифрованные значения обрабатываются (происходит поиск максимума) и сохраняются в оперативной памяти основного микроконтроллера.

4. Работа по пунктам 1-3 проходит при нажатой в первый раз кнопке (время любого нажатия всегда больше 100 мс). В зависимости от того, когда кнопка будет отжата (кратковременное или длительное - более 5 с нажатие), микроконтроллер выйдет в режим индикации результатов тестирования или в режим настройки.

5. Если кнопка отжата после кратковременного нажатия (менее 5 с), то микроконтроллер выходит в режим индикации результатов тестирования.

При значениях сохраненных ранее результатов оцифровки, меньших нулевого порога, микроконтроллер показывает отсутствие достаточного количества слюны на датчике: мигание красного светодиода в течение 5 с.

При значениях, больших нулевого порога и меньших малого порога, происходит индикация неудовлетворительного физиологического состояния: зажигание двух красных светодиодов на 10 с.

При значениях, больших малого порога и меньших большого порога происходит индикация нормального физиологического состояния и отсутствия овуляции для женщин: зажигание зеленого светодиода на 10 с.

При значениях, больших большого порога, происходит индикация наличия овуляции у женщин: зажигание красного светодиода на 10 с.

Если кнопка отжата после длительного нажатия (более 5 с), то микроконтроллер выходит в режим настройки. Возможность выхода в режим настройки при непрерывном нажатии на кнопку более 5 секунд подтверждает начинающий мигать зеленый светодиод. После начала мигания можно отжать кнопку, мигание зеленого светодиода должно сохраниться, но уже с другой частотой.

В режиме настройки и наблюдается мигание зеленого светодиода в течение 30 секунд. После первой секунды осуществляется конфигурация глобального прерывания (вывод 5), при повторном нажатии кнопки происходит повторная оцифровка значения аналогового входа (вывод 7) микроконтроллера. Если полученное после оцифровки значение больше нулевого порога, то оно увеличивается в 17/16 раз и служит вновь установленным большим порогом.

Затем микроконтроллер переходит в режим индикации настройки (мерцание красного и зеленого светодиодов в течение 10 секунд) и затем в режим "сон".

Изобретение относится к области электрохимических исследований в медицине, в частности при определении концентрации калия в организме человека. Устройство содержит датчик-анализатор, соединенный через последовательно соединенные усилитель и интегрирующее звено с основным микроконтроллером, на выходе которого подключен блок индикации, соединенный с индицирующими светодиодами. Источник опорного напряжения соединен с блоком управления и основным микроконтроллером. Датчик-анализатор соединен с источником опорного напряжения при помощи дополнительного микроконтроллера. Усилитель, основной микроконтроллер и блок индикации соединен с блоком управления. Это обеспечивает повышение точности определения концентрации калия непосредственно во время измерения. 5 ил.

Устройство контроля физиологического состояния организма человека, содержащее датчик-анализатор, соединенный с усилителем, блок индикации, соединенный с индицирующими светодиодами, источник опорного напряжения, отличающееся тем, что оно содержит блок управления, основной и дополнительный микроконтроллеры, а также интегрирующее звено, через которое усилитель соединен с основным микроконтроллером, выход которого подключен к блоку индикации, датчик-анализатор через дополнительный микроконтроллер соединен с источником опорного напряжения, соединенным с основным микроконтроллером и с блоком управления, который подключен к усилителю, основному микроконтроллеру и блоку индикации.