СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ВОСПАЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A61B5/53 G01N33/487 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для измерения и оценки биологической среды с целью прогнозирования динамики воспалительного процесса.

Известен "Электрохимический способ определения содержания органических примесей в воде и датчик для его осуществления" (авт.свид. SU 1158913, кл. 4 G 01 N 27/48, 30.05.85).

Способ заключается в пропускании электрического тока через биологическую жидкость, помещенную в межэлектродное пространство датчика, измерении межэлектродного потенциала от нулевого уровня до верхнего, измерении величины интервала времени, необходимого для измерения межэлектродного потенциала от одного уровня до другого после изменения полярности тока, и оценке содержания примесей по величине этого интервала.

Датчик для осуществления способа содержит индикаторный и вспомогательный электроды, разделенные ионообменной мембраной. Вспомогательный электрод выполнен в виде стержня, который окружен ионообменной мембраной.

Конструкция датчика имеет недостаток - проводимость мембраны, которая является электролитом, имеет ограниченную величину, что снижает воспроизводимость и достоверность результатов измерений.

Способ основан на адсорбции и электроокислении органических примесей на платиновом электроде. При изменении полярности тока потенциал электрода меняется и при этом происходит восстановление поверхности электрода и адсорбции органических примесей.

Недостатком способа является низкая достоверность и воспроизводимость результатов измерений, поскольку при пропускании тока через биологическую жидкость электрохимическая реакция сопровождается не только фарадеевским процессом, характеризующимся линейным изменением напряжения при уменьшении концентрации ионогенных групп, но и емкостным процессом накопления заряда на двойном электрическом слое, который характеризуется нелинейным нарастанием напряжения, а характер его протекания сильно зависит от состояния поверхности электродов и зазора между ними.

Способ также требует отбора у пациентов биологической жидкости на пробу, что усложняет процесс диагностики.

Наиболее близким к заявляемому способу и устройству является способ прогнозирования динамики воспалительного процесса и устройство для его осуществления (патент RU 2033606, кл. G 01 N 33/48, 20.04.95).

Способ заключается в следующем: электрический ток пропускают через биологическую жидкость, помещенную в межэлектродное пространство датчика, затем измеряют изменение межэлектродного потенциала от нулевого уровня до нижнего, определяемого началом формирования плато на кривой зависимости межэлектродного потенциала от времени, и проводят регистрацию динамики работы, затрачиваемой на электрохимические реакции при изменении межэлектродного потенциала объема биологической жидкости, заключенной в межэлектродном пространстве от нижнего уровня до верхнего, определяемого окончанием линейной зависимости между изменением межэлектродного потенциала и временем, и при положительной динамике прогнозируют прогрессирование воспалительного процесса, а при отрицательной - его регрессирование.

Устройство-прототип содержит зонд с двумя плоскопараллеными электродами датчика, источник стабилизированного тока, схему управления, ключ, измеритель временных интервалов, два пороговых элемента, кнопку "Пуск" и два участка цепи, соединенных с электродами датчика зонда.

При этом источник стабилизированного тока соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа, выход которого подключен к входу первого порогового элемента и через первый участок цепи к первому электроду датчика зонда. Второй электрод датчика зонда через второй участок цепи подключен к общей шине. Схема управления подключена входом к кнопке "Пуск", первым выходом ко второму входу ключа, вторым выходом ко второму входу измерителя временных интервалов. Выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, первый вход второго порогового элемента через первый участок цепи - к первому электроду датчика зонда, а выход к третьему входу измерителя временных интервалов.

Общими признаками заявляемого способа и устройства для его осуществления являются все признаки способа и устройства, выбранных в качестве прототипа.

Недостатком способа и устройства, взятых за прототип, является то, что электрохимическая реакция, протекающая при протекании электрического тока через биологическую жидкость, сопровождается емкостным процессом накопления заряда на двойном электрическом слое, который характеризуется нелинейным нарастанием напряжения. Количественная оценка этого процесса вследствие значительного влияния состояния поверхности электродов и объема биологической жидкости, заключенной в межэлектродном пространстве датчика зонда, на получаемые результаты измерений приводит к существенному снижению их достоверности и воспроизводимости.

Технической задачей, решаемой заявляемым способом и устройством, является исключение влияния нестационарных переходных процессов и поляризационных явлений, происходящих на токоподводящих электродах датчика зонда, на результаты измерений.

Повышение достоверности и воспроизводимости результатов измерений достигается тем, что в способе прогнозирования динамики воспалительного процесса, включающем пропускание электрического тока через биологическую жидкость, помещенную в межэлектродное пространство датчика зонда, измерение изменения межэлектродного потенциала от нулевого уровня до нижнего, определяемого началом формирования плато на кривой зависимости межэлектродного потенциала от времени, регистрацию динамики работы, затрачиваемой на электрохимические реакции при изменении межэлектродного потенциала объема биологической жидкости, заключенной в межэлектродном пространстве датчика зонда, от нижнего уровня до верхнего, определяемого окончанием линейной зависимости между изменением межэлектродного потенциала и временем, и прогнозирование, согласно изобретению предусмотрено следующее: производят измерение изменения межэлектродного потенциала части биологической жидкости, заключенной между третьим и четвертым плоскопараллельными индикаторными электродами датчика зонда, лежащими между плоскопараллельными токоподводящими электродами датчика зонда, поляризационные явления и нестационарные переходные процессы в которой отсутствуют.

В устройстве для прогнозирования динамики воспалительного процесса, содержащем зонд, в котором установлены первый и второй плоскопараллельные токоподводящие электроды датчика, источник стабилизированного тока, соединенный первым выходом с общей шиной, вторым выходом - с первым входом ключа, выход которого подключен к первому токоподводящему электроду датчика, а второй токоподводящий электрод датчика подключен к общей шине, схему управления, подключенную входом к кнопке "Пуск", первым выходом - ко второму входу ключа, вторым выходом - ко второму входу измерителя временных интервалов, причем первый вход измерителя временных интервалов подключен к выходу первого порогового элемента, а третий вход - к выходу второго порогового элемента, согласно изобретению предусмотрено следующее: датчик зонда дополнительно снабжен третьим и четвертым плоскопараллельными индикаторными электродами, размещенными плоскопараллельно первому и второму токоподводящим электродам и лежащими между ними, при этом третий индикаторный электрод подключен к первому входу первого и первому входу второго порогового элемента, а четвертый - ко второму входу первого и второму входу второго порогового элемента, соответственно.

Введение в устройство для реализации способа новых функциональных элементов и новых связей между ними позволило решить поставленную техническую задачу, улучшить способ и технические характеристики заявляемого устройства и повысить достоверность и воспроизводимость результатов оценки состояния биологической жидкости.

Совокупность отличительных признаков заявляемого способа и устройства для его осуществления не обнаружена по патентной и научно-технической литературе.

Способ реализуется с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 1; на фиг.2 представлены графики изменения межэлектродного потенциала на датчике зонда (кривая А - для прототипа, кривая В - для заявляемого способа и устройства), помещенном в биологическую жидкость, при пропускании стабилизированного тока (I const); на фиг.3 показано распределение электрического потенциала в объеме биологической жидкости, заключенной в межэлектродном пространстве датчика.

Устройство (фиг. 1) содержит: кнопку "Пуск", 1 - схему управления, 2 - источник стабилизированного тока, 3 - ключ, 4 - измеритель временных интервалов, 5 - первый пороговый элемент, 6 - второй пороговый элемент, 7 - зонд, в котором установлены первый и второй токоподводящие электроды датчика зонда, а также третий и четвертый индикаторные электроды датчика зонда, 8 - первый участок цепи, 9 - второй участок цепи.

При этом источник стабилизированного тока 2 соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом - с первым входом ключа 3, выход которого подключен через первый участок цепи 8 к первому токоподводящему электроду датчика зонда 7, второй токоподводящий электрод датчика зонда 7 через второй участок цепи 9 подключен к общей шине, причем второй вход ключа 3 подключен к первому выходу схемы управления 1, вход которой подключен к кнопке "Пуск", а второй выход - ко второму входу измерителя временных интервалов 4, первый вход которого подключен к выходу первого порогового элемента 5, а третий - к выходу второго порогового элемента 6, причем первый вход первого порогового элемента 5 и первый вход второго порогового элемента 6 подключены к третьему индикаторному электроду датчика зонда 7, а второй вход первого порогового элемента 5 и второй вход второго порогового элемента 6 подключены к четвертому индикаторному электроду датчика зонда 7.

Введение в датчик зонда двух индикаторных электродов позволяет исключить из результатов измерений плоховоспроизводимые и соответственно малодостоверные признаки, связанные с нестационарными переходными процессами и поляризационными явлениями, происходящими на токоподводящих электродах датчика зонда, что повышает достоверность результатов прогнозирования динамики воспалительного процесса.

Способ осуществляется следующим образом. После вскрытия и установки дренажа в область очага воспаления либо в область вероятного появления воспаления через дренажную трубку вводится зонд 7 с датчиком. При вхождении датчика в очаг воспаления межэлектродное пространство заполняется биологической жидкостью, например гнойным экссудатом.

При нажатии кнопки "Пуск" схема управления 1 обнуляет показания измерителя временных интервалов 4.

Со схемы управления 1 включается ключ 3, ток с источника стабилизированного тока 2 поступает через ключ 3 на первый участок цепи 8, зонд 7, второй участок цепи 9 и общую шину. При накоплении заряда и протекании Фарадеевского процесса изменяется межэлектродное сопротивление датчика зонда и, как следствие, начинает возрастать разность потенциалов первого и второго индикаторных электродов датчика зонда. Когда она достигнет напряжения нижнего уровня, срабатывает первый пороговый элемент 5, который запускает измеритель временных интервалов 4. По достижении значения разности потенциалов третьего и четвертого индикаторных электродов датчика зонда, равного верхнему уровню, срабатывает второй пороговый элемент 6, который прекращает отсчет времени измерителем временных интервалов 4.

В устройстве-прототипе разность потенциалов снимается непосредственно с токоподводящих электродов датчика зонда, при этом она складывается из трех составляющих:
Δϕ = ϕ_A+ϕ_K+U, (1)
где ϕ_A и ϕ_K - потенциалы анода и катода, а U - падение напряжения на омическом сопротивлении объема биологической жидкости.

Поскольку на биологическую жидкость значительного влияния не оказывают связанные заряды (ионогенные группы белков, липидов и т.д.), количественная оценка двух первых слагаемых формулы (1) имеет малую воспроизводимость результатов от опыта к опыту, так как практически не коррелирует с состоянием биологической жидкости и сильно зависят от состояния поверхности электродов. Кроме того, при пропускании тока происходит изменение концентрации ионогенных групп биологической жидкости. Как следствие, значение времени, необходимого для изменения потенциала от одного уровня до другого, будет зависеть от объема исследуемой биологической жидкости. В то время как третье слагаемое формулы (1) имеет довольно высокую корреляцию с состоянием биологической жидкости и мало зависит от вышеперечисленных факторов, а значение кулонометрических затрат на эту составляющую на начальной стадии коммутации тока является доминирующим, исключение двух первых слагаемых формулы (1) из результатов измерений позволяет существенно повысить их воспроизводимость и достоверность.

Поскольку нижний и верхний уровни срабатывания пороговых элементов выбираются на участке линейного изменения напряжения, можно определить среднее значение напряжения Ucp на индикаторных электродах за время измерения:

где Uн - нижнее значение напряжения, Uв - верхний уровень напряжения.

Работа, затрачиваемая на электрохимические реакции при изменении межэлектродного потенциала дозированного объема биологической жидкости, определяется по формуле:
А = Ucp•Iconst•t, (3)
где Iconst - значение стабилизированного тока, t - время, в течение которого произошло изменение напряжения от нижнего уровня до верхнего.

Так как значения Ucp и Iconst заранее известны, то измерение позволяет индицировать без специальных математических расчетов значение работы А в долях джоуля.

После измерения зонд 7 извлекают из дренажной трубки, обрабатывают и стерилизуют известными способами.

Через определенный промежуток времени зонд 7 повторно вводят через дренажную трубку в контролируемую область. Производят измерение работы. Полученные значения сравнивают с предыдущими.

По изменению работы судят о динамике воспалительного процесса: увеличение работы свидетельствует о его прогрессировании, а уменьшение - о регрессировании.

Увеличение активности воспалительного процесса сопровождается увеличением концентрации ионосодержащих молекул в биологической жидкости. Как следствие, работа, затрачиваемая на электрохимическую реакцию, увеличивается.

При снижении активности воспалительного процесса концентрация ионосодержащих молекул в биологической жидкости уменьшается, следовательно, уменьшается значение работы.

В лабораторных условиях был создан макет заявляемого устройства и проведены испытания, которые показали работоспособность предложенного способа и устройства.

По сравнению с прототипом разработанное устройство позволяет получить параметры биологической жидкости, не зависящие от поляризационных явлений и нестационарных переходных процессах, протекающих на токоподводящих электродах, что повышает достоверность и воспроизводимость прогнозирования динамики воспалительного процесса.

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике для измерения и оценки электрохимических свойств биологической среды, и может быть использовано для прогнозирования динамики воспалительного процесса. Способ прогнозирования заключается в том, что через биологическую среду, помещенную в межэлектродное пространство датчика зонда, посредством токовых электродов пропускают постоянный электрический ток, измеряют изменение разности межэлектродного потенциала индикаторных электродов, расположенных между токовыми электродами, за определенный промежуток времени от нулевого уровня до нижнего, затем проводят регистрацию динамики работы, затрачиваемой на электрохимические реакции при изменении межэлектродного потенциала от нижнего уровня до верхнего за определенный промежуток времени, и при положительной динамике работы прогнозируют прогрессирование воспалительного процесса, а при отрицательной - его регрессирование. Устройство для осуществления способа содержит зонд, в котором установлены первый и второй плоскопараллельные токоподводящие электроды датчика и лежащие между ними третий и четвертый индикаторные электроды, источник стабилизированного тока, ключ, схему управления, подключенную к кнопке "Пуск", измеритель временных интервалов и два пороговых элемента. Изобретение позволяет повысить достоверность и воспроизводимость результатов прогнозирования. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ прогнозирования динамики воспалительного процесса, включающий пропускание электрического тока через биологическую жидкость, помещенную в межэлектродное пространство датчика зонда, измерение изменения межэлектродного потенциала от нулевого уровня до нижнего, определяемого началом формирования плато на кривой зависимости межэлектродного потенциала от времени, регистрацию динамики работы, затрачиваемой на электрохимические реакции при изменении межэлектродного потенциала объема биологической жидкости, заключенной в межэлектродном пространстве, от нижнего уровня до верхнего, определяемого окончанием линейной зависимости между изменением межэлектродного потенциала и временем, и прогнозирование при положительной динамике работы прогрессирования воспалительного процесса, а при отрицательной - его регрессирования, отличающийся тем, что измерение изменения межэлектродного потенциала производят для части биологической жидкости, заключенной между третьим и четвертым плоскопараллельными индикаторными электродами датчика зонда, лежащими между плоскопараллельными первым и вторым токоподводящими электродами датчика.2. Устройство для прогнозирования динамики воспалительного процесса, содержащее зонд, в котором установлены первый и второй плоскопараллельные токоподводящие электроды датчика, источник стабилизированного тока, соединенный первым выходом с общей тиной, вторым выходом - с первым входом ключа, выход которого подключен к первому токоподводящему электроду датчика, а второй токоподводящий электрод датчика подключен к общей шине, схему управления, подключенную входом к кнопке “Пуск”, первым выходом - ко второму входу ключа, вторым выходом - ко второму входу измерителя временных интервалов, причем первый вход измерителя временных интервалов подключен к выходу первого порогового элемента, а третий вход - к выходу второго порогового элемента, отличающееся тем, что датчик зонда дополнительно снабжен третьим и четвертым плоскопараллельными индикаторными электродами, размещенными плоскопараллельно первому и второму токоподводящим электродам и лежащим между ними, при этом третий индикаторный электрод подключен к первому входу первого и первому входу второго порогового элемента, а четвертый - ко второму входу первого и второму входу второго порогового элемента, соответственно.