СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТ МУТНОГО ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/27 G01N33/48 

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и предназначено для анализа концентрации компонент веществ (растворов), в том числе и сильно рассеивающих свет, спектрального анализа веществ, анализа концентрации компонент крови человека, таких как гемоглобин, билирубин и т.п. без повреждения кожных тканей человека.

Спектральный анализ компонент не рассеивающего свет раствора обычно проводится обычными спектрофотометрами (анализатором спектра), принцип действия которых основан на измерении интенсивности спектрально-перестраиваемого света, прошедшего через кювету, в которой находится исследуемое вещество или объект, и одновременного измерения интенсивности света на той же длине волны излучения света, прошедшего через пустую или с растворителем кювету. Искомый результат определяют по отношению сигналов.

К недостаткам данного устройства стоит отнести невозможность производить анализ мутных веществ, рассеивающих свет.

Анализ крови обычно производится путем забора определенной порции крови через поврежденную кожу или вену с последующим ее анализом на специальном лабораторном оборудовании.

Известен способ неинвазивного (без повреждения кожи) анализа компоненты крови человека, описанное в заявке на изобретение WO 03/098213 «Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды» (авторы Чернов Е.И. и Головков О.Л.) и взятый в качестве прототипа, который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.

Данный способ основывается на утверждении, что рассеяние среды не изменяются во время пульсации среды и в течение как минимум 1 с, а изменение толщины образца одинаково и регулярно, так как не учитывается изменение мутности среды, за счет рассеяния света кровью во время пульсации.

Устройство, взятое в качестве прототипа №2065722 РФ, «Устройство для оценки кровоснабжения глазного дна» (авторы Соборов Г.И и др.), содержит осветительно-проекционный блок, формирующий две спектральные составляющие, офтальмоскоп, оптический делитель, два светофильтра, два фотоприемника и блок измерения отношения и формирования управляющих сигналов. Искомый результат определяют по отношению сигналов.

Основным недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет определять абсолютную концентрацию гемоглобина, так как измерение относительное.

Задача заявляемого технического решения: создание оптоэлектронного устройства, позволяющего производить спектральный анализ сильно рассеивающего свет растворов или веществ, используя один канал измерения, и позволяющего неинвазивным путем определять абсолютное значение концентраций компонент крови человека.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании спектрально перестраиваемого источника света, использовании блока управляемого давления, регулярно изменяющего толщину измеряемого объекта (кюветы, пальца, уха), блока измерения толщины объекта, измерении прошедшего через объект светового потока в моменты изменения давления и применении оригинальной математической обработки.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существующим признакам заявляемого изобретения. Отличие из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Сведения об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется фигурами 1-2.

Фиг.1 - прохождение лучей света через объект.

Фиг.2 - устройство определения концентрации компонент мутного раствора.

Фиг.3 - спектрально управляемый осветитель для двух длин волн.

В приведенном устройстве-прототипе приведен способ определения концентрации компонент мутной среды, который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.

Для определения концентрации компонент мутной среды определим сигнал фотоприемного устройства 2 при прохождения лучей света в рассеивающей и поглощающей среде 3 в соответствии с фиг.1, при освещении ее источником света 1, излучающем на длине волны λ₁.

где I₀ - интенсивность падающего на объект света; g_λ1 - чувствительность фотоприемника на данной длине волны излучения; ρ_с - коэффициент рассеяния света постоянными источниками, такими как камни, пески т.п.; ρ_b - коэффициент рассеяния света частицами среды, концентрация которых определяется; μ_с и μ_b - факторы (диаграммы) рассеяния света; L₁ - толщина объекта; D - диаметр излучающего световода и входная апертура световода фотоприемника; с₁ - концентрация первой определяемой компоненты среды; ξ_1λ1 - коэффициент экстинкции - приведенный спектральный коэффициент поглощения, первой компоненты среды на данной длине волны излучения; с_i - концентрация i-й определяемой компоненты среды; ξ_iλ1 - коэффициент экстинкции i-й компоненты среды на данной длине волны излучения. При этом коэффициенты экстинкции должны быть априорно известны.

При принудительном изменении толщины измеряемого объекта на малую величину ΔL можно преобразовать выражение (1) в следующий вид:

Для определения концентрации i компонент мутной однородной среды, для которой ρ_b=0, достаточно произвести измерение параметров P_1λ и Р'_1λ при облучении объекта i+1 разными монохроматическими составляющими света, при этом для каждой монохроматической составляющей спектра излучения источника света должны быть известны коэффициенты экстинкции для определенной компоненты среды и эти коэффициенты должны быть разными как минимум для двух монохроматических составляющих спектра облучения. Искомый результат концентраций i компонент среды при ΔL<<L определяется из системы i+1 уравнений:

В случае если при облучении объекта двумя спектрально разнесенными источниками света, при которых коэффициенты экстинкции не изменяются для всех компонент кроме одной, то для анализа именно этой одной компоненты вещества достаточно решения система из двух уравнений. Например, для лабораторного анализа гемоглобина достаточно облучать объект двумя светодиодами с длинами волн λ₁ (например, 590 нм) и λ₂ (например, 650 нм), а концентрацию определять из выражения:

При этом в результате анализа было установлено, что чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, а так же чем меньше величина ΔL, тем выше точность измерения. Изменение на порядок рассеяния, поглощения и толщины объекта существенной роли на точность измерения не влияет, при этом погрешность измерения не превышает 10%.

Для спектрального анализа вещества, не рассеивающего свет и расположенного в кювете с изменяемой толщиной, уравнения (1) и (2) преобразуются в выражения:

Отношение Р'_1λ1 к P_1λ1 на разных длинах волн позволяет получить стандартное выражение спектрального анализа с той лишь разницей, что в данном способе используется один измерительный канал и вместо известной толщины кюветы необходимо точно знать величину изменения толщины кюветы ΔL.

Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент раствора заключается в следующем - одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым раствором, который может быть мутным (сильно рассеивать свет) и имеет i компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, при этом фотоприемным устройством измеряется минимальное и максимальное значение светового потока для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия кюветы, а концентрация компонент крови определяется из системы i+1 уравнений (3). При этом, если исследуемое вещество не рассеивает свет и ρ=0, то можно спектрально изменять освещающий свет в широком диапазоне, с фиксацией i разных длин волн и спектр поглощения вещества определяется по отношению минимального и максимального оптического сигнала фотоприемного устройства в моменты изменения толщины объекта.

Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества представлено на фиг.2, состоит из световода осветителя 1, световода фотоприемного устройства 2, кюветы переменной толщины 3, блока управляемого давления 4, спектрально управляемого осветителя 6, фотоприемного устройства 7, измерителя толщины кюветы 8, управляющего устройства 9.

Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества работает следующим образом - в кювету переменной толщины 4 наливают раствор исследуемого вещества, с помощью блока управляемого давления 4 производится изменение толщины измеряемого объема кюветы, при этом с помощью измерителя толщины кюветы 8 производится изменение ее толщины, одновременно с этим с помощью спектрально управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кюветы поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн, при этом синхронно с помощью блока управляемого давления 4 производится изменение толщины кюветы. Фотоприемное устройство 7, связанное с поверхностью объекта 3 световодом 2, осуществляет измерение светового потока, прошедшего через кювету 3 в моменты сжатия и ослабления давления для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока управляемого давления 4, измерителя толщины кюветы 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который производит определение концентрации компонент крови из системы i+1 уравнений (3). Блок управляемого давления 4 может регулярно изменять давление частотой 1-50 Гц.

Так как для определения концентрации одной компоненты среды достаточно облучать объект на двух длинах волн, то можно использовать в качестве спектрально управляемого осветителя 6 устройство, приведенное на фиг.3, в котором используются два светодиода 12 и 13, излучающие на двух длинах волн, излучение которых сводится на одну оптическую ось с помощью делительного зеркала 11, которое может быть дихроичным, само излучение вводится в торец световода 1 с помощью фокусирующей линзы 10.

В качестве спектрально перестраиваемого осветителя 6, излучающего на множестве монохроматических длинах волн, можно использовать оптическую схему стандартного спектрофотометра, в котором используется источник света, излучающий во всей области видимого спектра и ближнем ИК, одна или две дифракционные решетки, шаговые двигатели, поворачивающие дифракционные решетки на определенный, точно установленный угол, и соответствующая оптика, которая коллимирует световые пучки и фокусирует полученное световое излучение с определенной монохроматической составляющей излучения на входную апертуру световода 1.

В качестве блока управляемого давления можно использовать линейный электромагнитный привод, в котором давление изменяется перемещением якоря электромагнита под воздействием изменяемого электрического тока.

В качестве измерителя толщины можно использовать индукционный измеритель перемещений, в котором перемещение якоря блока управляемого давления приводит к изменению индуктивности измерительной катушки.

При этом блок управляемого давления и измеритель толщины могут быть объединены в одно единое целое.

Изобретение предназначено для анализа концентрации компонент растворов, в том числе и сильно рассеивающих свет, и заключается в том, что одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно изменять толщину измеряемого объема вещества на малую величину, с исследуемым раствором, имеющим i компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, при этом фотоприемным устройством измеряется минимальное и максимальное значение светового потока для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия кюветы, а концентрация компонент крови определяется из системы i+1 уравнений. Изобретение позволяет производить спектральный анализ сильно рассеивающих свет веществ, используя один канал измерения, и неинвазивным путем определять абсолютное значение концентраций компонент крови человека. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества, заключающийся в облучении его спектрально изменяемым источником света и измерении световых потоков, прошедших через вещество, отличающийся тем, что для анализа используется кювета с регулярно изменяющейся толщиной объема вещества, измерение минимального и максимального световых потоков осуществляется в моменты изменения толщины измеряемого объема, при этом искомая величина концентраций i компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений

где ρ - коэффициент рассеяния света частицами среды, с₁ - концентрация первой определяемой компоненты среды, ξ_1λ1 - коэффициент экстинкции - приведенный спектральный коэффициент поглощения, первой компоненты среды на данной длине волны излучения, с_i - концентрация i-й определяемой компоненты среды, ξ_iλ1 - коэффициент экстинкции i-й компоненты среды на данной длине волны излучения, ΔL - величина изменения толщины объема исследуемого вещества.

где ρ - коэффициент рассеяния света частицами среды, c₁ - концентрация первой определяемой компоненты среды, ξ_1λ1 - коэффициент экстинкции - приведенный спектральный коэффициент поглощения, первой компоненты среды на данной длине волны излучения, с_i - концентрация i-й определяемой компоненты среды, ξ_iλ1 - коэффициент экстинкции i-й компоненты среды на данной длине волны излучения, ΔL - величина изменения толщины объема исследуемого вещества.