УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СОСТАВЕ ВЫДЫХАЕМОГО ЧЕЛОВЕКОМ ВОЗДУХА Российский патент 2024 года по МПК A61B5/08 A61B5/93 A61B10/00 G01N33/497 G01N27/26 G01N27/414 

[0001] Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к приборам и/или диагностическим комплексам для первичной неинвазивной диагностики и/или экспресс-тестирования различных заболеваний путем измерения параметров состава выдыхаемой человеком газовой среды.

[0002] Более конкретно, изобретение относится к системам анализа газовой среды на основе массива полуселективных сенсоров с различным механизмом отклика и обладающих кросс-селективностью к оксидам азота, аминам, сульфидам, углеводородам, спиртам, альдегидам, терпенам, которые вместе известны как маркерные летучие органические соединения (ЛОС) различных заболеваний.

[0003] Заявляемое изобретение может найти применение для первичной неинвазивной диагностики и/или экспресс-тестирования различных заболеваний, например, астма, ХОБЛ, сахарный диабет, туберкулез, острые респираторные заболевания, в том числе COVID -19. Изобретение может использоваться в составе диагностических комплексов для диагностики пациентов в медицинских учреждениях или в качестве портативного устройства для использования, например, в местах массовых скоплений людей (вокзалы, аэропорты и т.п.), а также как устройства типа «point-of-care» для использования в домашних условиях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Из уровня техники известно портативное устройство для обнаружения биомаркеров в выдыхаемом воздухе, снабженное мундштуком и воздухопроводом, подводящим воздух от мундштука через сенсорный блок к выпускному отверстию, при этом воздухопровод включает в себя фильтр влажности, а блок датчиков соединен с модулем управления, подключенным к интерфейсной системе, воздухопровод также включает в себя предварительный концентратор и датчик углекислого газа и трехходовой вентиль отправляющий поток газа либо на сброс либо в концентратор, соединенный с модулем управления, который снабжен модулем запуска измерений, запускающим измерение, выполняемое с помощью сенсорного блока [ЕР 3561509 А1, дата публикации 30.10.2019].

[0005] К недостаткам данной системы можно отнести наличие фильтра влажности и преконцентратора, которые на себе могут осаждать не только влагу, но и целевые компоненты, тем самым снижая точность и чувствительность распознавания биомаркеров.

[0006] Известно устройство обнаружения выдыхаемого человека воздуха, которое включает в себя матрицу газовых датчиков, модуль аналого-цифрового преобразования, однокристальный микрокомпьютер, периферийную схему и модуль жидкокристаллического дисплея, при этом массив газовых датчиков подключен к входу модуля аналого-цифрового преобразования [CN 212134621 U, дата публикации 11.12.2020].

[0007] Недостаток устройства заключается в том, что массив газовых сенсоров размещен в одной газовой ячейке, предназначенной для анализа только выдыхаемого человеком воздуха. Газовоздушная система отбора проб данного устройства не позволяет одновременно с выдыхаемым воздухом отбирать пробы внешнего атмосферного воздуха с целью учета его состава, который может влиять на результат тестирования.

[0008] Известно устройство для обнаружения ЛОС в выдыхаемом воздухе, которое содержит основной корпус, камеру сбора выдыхаемого воздуха, гидрофобную мембрану, отверстие для выдоха, матрицу датчиков, вытяжной вентилятор, экран дисплея, модуль обработки информации, клапан А, клапан В и клапан С.

Клапан А установлен на верхней поверхности камеры сбора выдыхаемого воздуха основного корпуса, клапан С установлен на боковой стенке камеры сбора выдыхаемого воздуха, а клапан В установлен в нижней части камеры сбора выдыхаемого воздуха. Массив датчиков, экран дисплея, клапан А, клапан В, клапан С и вытяжной вентилятор подключены к модулю обработки информации, который управляет клапаном А, клапаном В, клапаном С и выпускным вентилятором и отображает результаты измерений на экран [CN 210863616 U, дата публикации 26.06.2020].

[0009] К недостатком устройства можно отнести использование только одного типа датчиков - резистивных датчиков, в то время как использование разных датчиков увеличивает возможность получения некоррелированного отклика, а также наличие гидрофобной мембраны, которая может на себе осаждать часть летучих органических соединений, также в устройстве отсутствует возможность отбора пробы внешнего атмосферного воздуха и учета его состава на результат тестирования.

[0010] Известно портативное устройство для сбора выдыхаемого воздуха, которое содержит корпус, одноразовую дыхательную маску, массив датчиков, расходомер, устройство обогащения и переходник газового тракта, главную плата управления и воздушный насос.Маска имеет три воздушных отверстия, которыми являются впускное отверстие для воздуха, первое отверстие для выпуска воздуха и второе отверстие для выпуска воздуха. Направление потока газа во всех трех воздушных отверстиях контролируются с помощью обратного клапана. Массив датчиков включает в себя датчик СО₂ и датчик давления воздуха. Дополнительно устройство содержит блок обогащения, который включает в себя четыре трубки, заполненные сорбентом, и датчик контроля температуры, окружающий четыре трубки с сорбентом. Задача, решаемая устройством, состоит в том, что сорбент с помощью изменения температуры будет поглощать те или иные «лишне» летучие соединения из воздуха, в то время как остальные соединения будут анализироваться [CN 209884147 U, дата публикации 03.01.2020].

[0012] Такой подход представляется достаточно сложным, а также отсутствует уверенность, что данные сорбенты не будут поглощать еще какие-то «нужные» летучие соединения из выдыхаемого воздуха, что будет делать анализ менее точным.

[0013] Также из уровня техники известно устройство для измерения концентрации газов в выдыхаемом воздухе, которое содержит: первое воздухозаборное отверстие для подачи воздуха, выдыхаемого пациентом, в устройство; второй воздухозаборник с фильтром для подачи в устройство отфильтрованного окружающего воздуха; насос для забора воздуха; датчик для измерения концентрации газа в выдыхаемом воздухе; первый клапан, расположенный после первого воздухозаборника и перед датчиком; второй клапан, расположенный после второго воздухозаборника и перед датчиком; третий клапан, расположенный после датчика и выше воздуховыпускного отверстия; расходомер для измерения расхода воздуха, выдыхаемого пациентом; стабилизатор влажности для стабилизации влажности в устройстве. [WO 2020193828 A1, дата публикации 01.10.2020].

[0014] Недостаток данного технического решения заключается в наличии в устройстве стабилизатора влажности, а также в достаточно ограниченном выборе датчиков, поскольку разработчики преимущественно рассматривают проблему обнаружения легочных воспалений и астмы, и поэтому основной датчик для анализа выдыхаемого воздуха - это датчик на оксид азота.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, что состав окружающего воздуха при тестировании на наличие того или иного заболевания на основе анализа выдыхаемого человеком воздуха может оказывать влияние на состав выдыхаемого человеком воздуха и приводить к искажению результатов тестирования.

[0017] Решение данной проблемы состоит в создании высокочувствительного блока детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха, который обеспечивает одновременный анализ выдыхаемого пациентом воздуха и анализ воздуха окружающей среды в зоне проведения тестирования для последующего учета состава окружающего атмосферного воздуха, которым дышат диагностируемые люди, приводящего к изменению анализируемого состава выдыхаемой воздушной смеси и искажению результатов тестирования.

[0018] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении достоверности результатов анализа выдыхаемого диагностируемыми пациентами воздуха за счет учета изменения состава окружающего атмосферного воздуха, которым дышат диагностируемые люди.

[0019] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что устройство анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха, содержит: корпус;

вход для забора пробы выдыхаемого пациентом воздуха, выполненный с возможностью подсоединения съемного мундштука или мешка с отобранной пробой воздуха;

вход для забора пробы атмосферного воздуха;

выход для отвода пробы атмосферного воздухам и пробы выдыхаемого пациентом воздуха;

две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки 1 и 2, содержащие массив полуселективных газовых сенсоров с различным механизмом отклика, выбранным таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний, содержащиеся в выдыхаемом воздухе;

первый воздушный канал отбора пробы выдыхаемого человеком воздуха, соединяющий первую газовую сенсорную ячейку 1 с входом забора пробы выдыхаемого воздуха и выходом для вывода отработанных проб;

второй воздушный канал отбора проб внешнего атмосферного воздуха, соединяющий вторую газовую сенсорную ячейку 2 с входом забора атмосферного воздуха и выходом сброса отработанных проб;

три управляемых электромагнитных клапана, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать:

поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку 1 и 2 или

поток пробы выдыхаемого воздуха в газовую сенсорную ячейку 1 и поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку 2, или

поток пробы выдыхаемого воздуха только в газовую сенсорную ячейку 1 в зависимости от полученного управляющего сигнала режима работы устройства;

два мембранные насосы, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать принудительный отбор проб и прохождения пробы выдыхаемого воздуха и пробы внешнего атмосферного воздуха следующим образом;

поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку 1 и 2

или

поток пробы выдыхаемого воздуха в газовую сенсорную ячейку 1 и поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку 2, или

поток пробы выдыхаемого воздуха только в газовую сенсорную ячейку 1 в зависимости от полученного управляющего сигнала режима работы устройства;

измерительно-управляющий блок, включающий микроконтроллер, снабженный аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), который выполнен с возможностью:

подачи напряжения произвольной амплитуды на электроды каждого газового сенсора в газовых сенсорных ячейках 1 и 2;

измерения параметров отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовой сенсорной ячейке 1 и 2 в зависимости от времени;

передачи откликов R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовой сенсорной ячейки 1 и 2 на микроконтроллер;

при этом микроконтроллер выполнен с возможностью:

получения отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовых сенсорных ячеек 1 и 2;

сравнения полученных откликов R₁, R₂…R_n с классификатором, предварительно занесенным в память микроконтроллера, содержащим тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, разделенные на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому определенному диагнозу;

выдачи по результатам сравнения информации - болеет человек указанным заболеванием или нет;

блок управления электромагнитными клапанами и насосами, подключенный к микроконтроллеру и выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на электромагнитные клапаны и мембранные насосы в зависимости от режима работы устройства.

[0020] Наличие двух изолированных друг от друга газовых сенсорных ячеек, одна из которых предназначена для анализа выдыхаемого диагностируемым человеком воздуха, а вторая предназначена для анализа воздуха окружающей среды непосредственно при диагностировании (в момент забора пробы), позволяет корректировать показания сенсоров анализа выдыхаемого воздуха с учетом особенностей состава окружающего воздуха в момент забора пробы. Например, увеличение концентрации каких-либо газов в составе окружающего воздуха (углекислый газ, сероводород, оксид азота и т.д.) приводит к изменению состава выдыхаемого человеком воздуха в момент отбора пробы, что соответственно может приводить к изменению отклика сенсоров при анализе таких выдохов, и, как следствие, привести к искажению результатов тестирования таким образом, что здоровых людей можно будет диагностировать как больных указанным заболеванием или наоборот.

[0021] Появление посторонних примесей в атмосферном воздухе в зоне проведения диагностирования (забора пробы), например, после дезинфекции помещения или в случае, если к устройству подошел человек с ярко выраженным запахом духов, также может приводить к искажению базовой линии газовых сенсоров и, как следствие, к искажению измеренных откликов сенсоров, что может привести к искажению результатов тестирования.

[0022] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, массив сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 состоит из сенсоров на основе органических полевых транзисторов и/или, металло-оксидных сенсоров и/или электрохимических ячеек.

[0023] Кроме того, в частном случае реализации изобретения в воздушные каналы установлены три обратных клапана.

[0024] Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство снабжено USB-интерфейсом.

[0025] Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство снабжено одноплатным компьютером, подключенным к микроконтроллеру и выполненным с возможностью отображения результатов тестирования.

[0026] Кроме того, в частном случае реализации изобретения одноплатный компьютер размещен на корпусе устройства.

[0027] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, газовые сенсорные ячейки 1 и 2 могут быть совмещены в общем корпусе с обеспечением изолированных воздушных каналов для прохождения анализируемых проб выдыхаемого воздуха и внешнего атмосферного воздуха, или каждая газовая сенсорная ячейка 1 и 2 может быть размещена в отдельном корпусе.

[0028] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, датчики температуры воздуха и датчики влажности отделены термобарьером от газовых сенсоров.

[0029] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, газовые сенсоры в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 размещены таким образом, что попарно расположенные сенсоры в ячейках 1 и 2 имеют одинаковые характеристики.

[0030] Кроме того, в частном случае реализации изобретения вход для забора пробы атмосферного воздуха и вход для забора пробы выдыхаемого воздуха снабжены бактерицидными фильтрами.

[0031] Кроме того, в частном случае реализации изобретения классификатор, содержащий тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, формируется методами машинного обучения.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РЕАЛИЗАЦИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0032] Реализация изобретения подтверждается чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 показана схема устройства анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха; на фиг. 2 показаны приведены результаты кросс-валидации (самотестирования) для трех вариантов алгоритма машинного обучения случайного леса (Random Forest) для выборки из 465 здоровых людей и 48 больных COVID-19 людей.

[0033] На фиг. 1 позиции имеют следующее значения:

1,2- газовая сенсорная ячейка;

3, 4, 5 - управляемый электромагнитный клапан;

6, 7 - мембранный насос;

8, 9, 10 - обратный клапан;

11 - вход для забора атмосферного воздуха;

12, 13 - бактериальный фильтр;

14 - вход для забора пробы выдыхаемого воздуха;

15 - выход для вывода отработанных проб;

16 - блок управления клапанами и насосами;

17 - измерительно-управляющий блок;

18 - микроконтроллер;

19 - съемный мундштук или мешок, содержащий заранее отобранную пробу выхода пациента;

20 - одноплатный компьютер;

21 - персональный компьютер;

22 - корпус устройства;

23 - блок питания;

[0034] Заявляемое устройство анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха (фиг. 1) включает в себя установленные в корпусе 22:

две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки 1 и 2, содержащие массив полуселективных газовых сенсоров с различным механизмом отклика, выбранным таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний, содержащиеся в выдыхаемом воздухе;

первый воздушный канала отбора пробы выдыхаемого человеком воздуха, соединяющий первую газовую сенсорную ячейку 1 с входом 14 забора пробы выдыхаемого пациентом воздуха и выходом 15 для вывода отработанных проб;

второй воздушный канала отбора проб внешнего атмосферного воздуха, соединяющий вторую газовую сенсорную ячейку 2 с входом 11 забора атмосферного воздуха и выходом 15 сброса отработанных проб;

три управляемых электромагнитных клапана 3, 4 и 5, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать поток отобранных проб исследуемых газовых воздушных смесей (пробы выдыхаемого воздуха и/или внешнего атмосферного воздуха) в газовую сенсорную ячейку 1 и 2 или газовую ячейку 1 в зависимости от режима работы устройства.

мембранные насосы 6 и 7, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать принудительный отбор проб и прохождения исследуемых газовых воздушных смесей (пробы выдыхаемого воздуха и/или внешнего атмосферного воздуха) в газовую сенсорную ячейку 1 и 2 или газовую сенсорную ячейку 1 в зависимости от режима работы устройства;

три обратных клапана 8, 9, 10, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать исключение попадания остатков летучих соединений из насосов 6 и 7 обратно в газовые сенсорные ячейки 1 и 2;

блок 16 управления клапанами и насосами, к которому подключены электромагнитные клапаны 3, 4, 5 и мембранные насосы 6 и 7, снабженный заранее заданным алгоритмом управления и передающий управляющие команды на управляемые устройства в зависимости от режимов работы устройства;

датчик температуры воздуха (на чертежах не показан), датчик относительной влажности воздуха (на чертежах не показан);

измерительно-управляющий модуль 17, включающий микроконтроллер 18, снабженный аналого-цифровым преобразователем (АЦП);

съемный мундштук 19 с бактерицидным фильтром 13, подсоединяемый к входу 14 забора пробы и связанный воздушным каналом с газовой сенсорной ячейкой 1, что обеспечивает сбор выдоха исследуемого пациента напрямую в газовую сенсорную ячейку 1;

блок кнопок «Продувка», «Выдох», «Мешок», которые подключены к блоку управления 16 клапанами и насосами и задают режим работы устройства;

вместо съемного мундштука 19 может быть использован мешок, содержащий заранее собранную от пациента пробу выдыхаемого воздуха (на чертежах не показан), также подсоединяемый к входу 14 забора пробы через бактерицидный фильтр 13.

[0035] Микроконтроллер 18 снабжен программным обеспечением, обеспечивающим:

получение отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовых сенсорных ячеек 1 и 2;

сравнение полученных откликов R₁, R₂…R_n с классификатором (базой данных), полученным методом машинного обучения и предварительно занесенным в память микроконтроллера 18, содержащим тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, разделенные на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому определенному диагнозу;

выдачу по результатам сравнения информации - болеет человек указанным заболеванием или нет

[0036] Микроконтроллер 18 соединен со средством вывода информации пользователю, в качестве которого может быть использован одноплатный компьютер 20, размещенный на корпусе 22, или персональный компьютер 21, к которому устройство может быть подключено посредством USB-интерфейса.

[0037] Также к микроконтроллеру 18 подключены датчик температуры воздуха и датчик относительной влажности воздуха (на чертежах не показаны), которые обеспечивают получение дополнительной информации об выдыхаемой газовой смеси, а также нагреватели (на чертежах не показаны) газовых сенсоров ячеек 1 и 2, которые обеспечивают контролируемый нагрев элемента массива газовых сенсоров 1 и 2 для управления скоростью сенсорного отклика и восстановления.

[0038] Массив газовых сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 может содержать от 1 до N газовых сенсоров, количество которых может варьироваться в зависимости от решаемых задач. В предпочтительном варианте реализации изобретения газовые сенсоры в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 размещены таким образом, что попарно расположенные сенсоры в ячейках 1 и 2 должны иметь одинаковые характеристики. Такое расположение сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 обеспечивает повышение достоверности результатов при обработке откликов.

[0039] В предпочтительном варианте реализации изобретения газовые сенсорные ячейки 1 и 2 могут быть совмещены в общем корпусе с обеспечением изолированных воздушных каналов, или каждая газовая сенсорная ячейка 1 и 2 может быть размещена в отдельном корпусе.

[0040] В предпочтительном варианте реализации изобретения датчики температуры воздуха и датчики влажности отделены термобарьером от газовых сенсоров.

[0041] Воздушные каналы выполнены в виде трубок (фторопластовых и полиэтиленовых) и включают три управляемых электромагнитных клапана 3, 4, 5, два мембранных насоса 6, 7 и три обратных клапана 8, 9, 10, обеспечивающих отбор проб через вход 14 отбора выдыхаемого воздуха и вход 11 отбора атмосферного воздуха и подачу анализируемых газовых сред -выдыхаемого пациента воздуха и атмосферного воздуха в газовые сенсорные ячейки 1 и 2 или сенсорную ячейку 1 в зависимости от режима работы устройства, а также вывод отработанных воздушных газовых сред, прошедших через газовые сенсорные ячейки 1 и 2, в атмосферу через выход 15 вывода отработанных проб. Управляемые электромагнитные клапаны 4, 5 соединены воздушным каналом с входов газовой сенсорной ячейки 1, при этом выходя газовой ячейки соединен с управляемым электромагнитным клапаном 3 и обратным клапаном 8. Управляемый электромагнитный клапан 4, мембранные насосы 6 и 7 соединены воздушным каналом с выходом 13 для сброса воздуха и/или отработанных проб.

[0042] В качестве управляемых электромагнитных клапанов 3, 4, 5 могут быть использованы нормально-закрытые электромагнитные клапаны модели SLC3.

[0043] Мембранные насосы 6 и 7 предназначены для принудительного отбора пробы воздушной смеси из мешка (на чертежах не показан), содержащего предварительно собранный от пациента выдыхаемый воздух, который может быть подсоединен к входу 14 через бактериальный фильтр 13, а также для принудительного отбора пробы внешнего атмосферного воздуха через вход 11 и продувки газовых сенсорных ячеек 1 и 2 перед очередным сеансом детектирования. Включение/выключение мембранных насосов 6 и 7 осуществляется по управляющим сигналам блока 16 управления клапанами и насосами в зависимости от режима работы устройства, который задается кнопками управления.

[0044] В качестве мембранных насосов 6 и 7 могут быть использованы насосы модели Z512-604-3000N.

[0045] Удержание пробы воздушной смеси в воздушном канале газовой сенсорной ячейки 1 осуществляется электромагнитным клапаном 4 и 5, в воздушном канале газовой сенсорной ячейки 2 - обратными клапанами 9 и 10.

[0046] Обратные клапаны 8 и 9, установленные перед мембранными насосами 6 и 7 соответственно, необходимы, в первую очередь, для того чтобы исключить возможность попадания остатков исследуемых проб из насосов 6 и 7 обратно в газовые сенсорные ячейки 1 и 2 соответственно, что может повлиять на достоверность результатов тестирования.

[0047] Управление электромагнитными клапанами 3, 4, 5, мембранными насосами 6, 7 и обратными клапанами 8, 9, 10 осуществляется при помощи блока управления 16, выполненного на основе Р-канальных полевых транзисторов с гальванической развязкой управляющего сигнала (на чертежах не показан).

[0048] Управление режимами работы заявляемого устройства осуществляется посредством кнопок управления «Продувка», «Мешок», «Выдох», размещенных на передней панели корпуса 21. Кнопки управления подключены к блоку управления 16 электромагнитными клапанами и насосами.

[0049] В состав устройства также входит блок 23 питания, который обеспечивает питанием все блоки и системы устройства.

[0050] Вход 14 забора выдыхаемой пробы снабжен встроенным резьбовым соединением для присоединения съемного мундштука 19 или мешка с заранее отобранной пробой воздуха (на чертежах не показан).

[0051] Также устройство снабжено бактерицидным фильтром, установленным на входе 11 забора внешнего атмосферного воздуха.

[0052] Измерительно-управляющий блок 17, в частном случае реализации изобретения, может быть выполнен на двух одинаковых платах, построенных на основе микроконтроллера STM32F373RC, образующих микроконтроллер 18, включающий в себя также аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (на чертежах не показан).

[0053] В случае реализации микроконтроллера 18 на основе двух плат, одна из плат является «ведущей» и осуществляет опрос кнопок управления, управление блоком 16 управления насосами и клапанами, измерение откликов газовых сенсоров газовой сенсорной ячейки 1, а также коммуникацию с программным обеспечением на одноплатном компьютере 20 или персональном компьютере. Вторая плата является «ведомой» и осуществляет только управление и измерение откликов газовых сенсоров газовой ячейки 2.

Обмен данными между «ведущей» и ведомой «платой» осуществляется через интерфейс UART.

[0054] Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен в конфигурации, способной:

подавать напряжение произвольной амплитуды на электроды каждого газового сенсора в газовых сенсорных ячейках 1 и 2;

измерять параметры (ток, сопротивление, напряжение) (на чертежах не показано) отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовой сенсорной ячейке 1 и 2 в зависимости от времени;

передавать отклики R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовой сенсорной ячейки 1 и 2 на микроконтроллер 18.

[0055] Реализация измерительно-управляющего блока 17 не ограничивается приведенным примером. Для специалиста в данной области техники очевидно, что измерительно - управляющий блок 17 может быть реализован на основе известной электронно-компонентной базы с использованием известных средств и методов, при этом существенным для реализации назначения заявленного изобретения и достижения технического результата являются функциональные возможности измерительно -управляющего блока 17, которые обеспечиваются, в том числе специально разработанными алгоритмами, преимущественно методами машинного обучения.

[0056] Устройство снабжено USB - интерфейсом для передачи данных на персональный компьютер 20.

[0057] Поскольку используемые в заявляемом изобретении сенсоры для газовых сенсорных ячеек 1 и 2 регистрируют суммарный отклик на широкий спектр соединений, то они называются полуселективными или частично селективными [Zohora S. Е., Khan А. М., Hundewale N. Chemical Sensors Employed in Electronic Noses: A Review //. - 2013. - V. 178. - P. 177-184.].

[0058] Селективностью сенсора к разным детектируемым соединениям называют отношение чувствительностей сенсора к этим детектируемым соединениям [D'Amico A., Di Natale С.A Contribution on Some Basic Definitions of Sensors Properties // IEEE Sensors Journal. - 2001. - V. 1, №3. - P. 183-190.]. В этой же статье отмечено, что отклик сенсора может иметь специфичный характер, то есть это такой случай селективности, при котором чувствительность сенсора к одному детектируемому соединению намного выше, чем ко всем другим. В таких случаях говорят, что сенсор является не специфичным, а частично селективным, полуселективным или неселективным.

[0059] При этом для получения хорошего классификатора откликов, т.е. такого классификатора, для которого можно выделить две группы откликов - одну для здоровых и одну для больных людей, удобно использовать сенсоры с различным механизмом отклика - метал-оксидные сенсоры, сенсоры на основе органических полевых транзисторов (ОПТ) и электрохимические ячейки - поскольку спектр соединений, которые они могут детектировать, существенно отличается за счет различного механизма их работы.

[0060] Массив газовых сенсоров с различным механизмом отклика обладает существенно отличающейся селективностью и диапазоном чувствительности, что ведет к тому, что суммарный отклик на смесь соединений, из которой состоит выдыхаемый воздух пациента, будет существенно разным и некоррелированным. Это дает возможность отличать не только здоровых людей от больных, что для ряда болезней возможно и на одном сенсоре, в частности, для наблюдения за состоянием астматиков можно следить благодаря измерениям уровня оксида азота II, что, например, реализовано в приборе NOBreath от компании Bedfont (https://www.bedfont.com/nobreath), но и отличать болезни между собой, причем даже на ранних стадиях.

[0061] В предпочтительном варианте реализации изобретения массив газовых сенсоров газовых ячеек 1 и 2 состоит из сенсоров в количестве от 1 до N, включающий по меньшей мере один сенсор, выполненный на основе органического полевого транзистора, состоящего из двух электродов («сток» и «исток»), разделенных слоем органического полупроводника, электрода затвора и диэлектрического слоя, описанного, например, в патенте RU 2675667 С1, по меньшей мере один металло-оксидный сенсор, состоящий из двух электродов («сток» и «исток»), разделенных слоем полупроводника, а также нагревателя, который обеспечивает нагрев полупроводника до рабочей температуры (выбор температуры обусловлен требуемым уровнем чувствительности [Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors // Sensors (Basel). - 2010. - V. 10, №3. - P. 2088-106.]) и по меньшей мере одной электрохимической ячейки, состоящей из трех электродов (эталонный, измерительный и контр-электрод), помещенных в электролит.

[0062] Активный слой органического полупроводника органического полевого транзистора может быть получен любым известным методом, включая растворные или печатные технологии, а конкретнее методами, такими как метод вращающейся подложки, метод налива, методы Ленгмюра-Блоджетт и Ленгмюра-Шеффера, термическое и магнетронное напыления в вакууме, метод физического парового транспорта и другими. Способы получения методами Ленгмюра-Блоджетт и Ленгмюра-Шеффера, а также методом вращающейся подложки описаны в статье [Operationally Stable Ultrathin Organic Field Effect Transistors Based on Siloxane Dimers of Benzothieno[3,2-B][l]Benzothiophene Suitable for Ethanethiol Detection // Advanced Electronic Materials. - 2022. - P. 2101039. DOI: 10.1002/aelm.202101039.].

[0063] В предпочтительном варианте реализации изобретения различная селективность отклика газовых сенсоров газовых сенсорных ячеек 1 и 2 на основе органических полевых транзисторов в массиве достигается путем покрытия полупроводникового слоя транзистора дополнительным рецепторным слоем. Такие газовые сенсоры описаны, например, в патенте RU 2676860 С1, где в качестве рецепторных слоев использовали тонкие пленки металлопорфиринов с различными металлами в координационном центре. Также различная селективность сенсоров в массиве обеспечивается использованием металло-оксидных сенсоров и электрохимических ячеек с различными полупроводниками или селективными мембранами [Online Breath Analysis Using Metal Oxide Semiconductor Sensors (Electronic Nose) for Diagnosis of Lung Cancer // J Breath Res. - 2019. - V. 14, №1. - P. 016004.].

[0064] Необходимость использования в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 массива газовых сенсоров с различным механизмом отклика обусловлена тем, что эффективность распознавания здоровых и больных людей падает при использовании однородных сенсоров, дающих скоррелированный отклик, поскольку использование последних не позволяет получать дополнительную информацию и различать болезни между собой.

Работа устройство анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха осуществляется следующим образом

[0065] При нажатии на кнопку «Продувка» открываются электромагнитные клапаны 3 и 4 (электромагнитный клапан 5 закрыт) и включаются мембранные насосы 6 и 7, что обеспечивает отбор атмосферного воздуха через вход 11 для забора воздуха и прокачку его через газовые сенсорные ячейки 1 и 2. Данный режим необходим, чтобы совершить продувку воздушных линий перед измерением, в то время как массив сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 в этот момент измеряет значение базовой линии сигнала.

[0066] В результате данного режима работы устройства обеспечивается получение базовой линии сенсорного отклика массива сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2, которая необходима для расчета величины отклика сенсоров, который считается как относительное отклонение показаний сенсоров от базовой линии, а также производится очистка газовых сенсорных ячеек 1 и 2 перед проведением измерений для исключения влияния в процессе измерения, например, осевших на сенсорах частицах воздушной смеси предыдущих проб.

[0067] При нажатии на кнопку «Выдох» открываются электромагнитные клапаны 3 и 5 (электромагнитный клапан 4 находится в закрытом положении), а также включается мембранный насос 7. Таким образом, осуществляется возможность подачи выдыхаемого пациентом воздуха, который поступает через вход 14 отбора пробы выдыхаемого воздуха, в который установлен съемный мундштук 19 с бактериальных фильтром 13 в газовую сенсорную ячейку 1 с одновременным забором пробы атмосферного воздуха через вход 11 посредством насоса 7 и прокачку его через газовую сенсорную ячейку 2, при этом насос 6 не участвует в прокачке пробы выдыхаемого воздуха через сенсорную ячейку (он используется только для очистки сенсорной ячейки перед последующим использованием). Таким образом, сенсоры в газовой ячейке 1 анализируют только состав выдыхаемого человеком воздуха, а сенсоры в газовой ячейке 2 анализируют состав атмосферного воздуха с последующей обработкой откликов в микроконтроллере 18.

[0068] В результате данного режима работы устройства обеспечивается возможность анализа выдыхаемого пациентом воздуха с учетом поправок на состав атмосферного воздуха, взятого непосредственно в зоне проведения анализа, что обеспечивает повышение точности и достоверности диагностирования.

[0069] В результате данного режима обеспечивается возможность анализа выдыхаемого пациентом воздуха с учетом поправок на состав атмосферного воздуха, взятого непосредственно в зоне проведения анализа, что обеспечивает повышение точности и достоверности диагностирования.

[0070] Обработка откликов сенсоров газовых сенсорных ячеек 1 и 2 происходит в микроконтроллере 18 в соответствии с разработанным программным алгоритмом:

на первом этапе происходит накопление массива абсолютных откликов каждого из датчиков для выборки людей, заведомо здоровых или заведомо больных определяемым заболеванием, где диагноз независимо подтвержден или опровергнут общепринятыми в клинической практике методами (ПЦР-тестирование, рентгенография и др.);

с использованием различных методов машинного обучения, включая дискриминантный анализ, метод случайного леса (Random Forest), нейронные сети создается классификатор, который позволяет разделить тестовые отклики сенсоров, анализирующих выдыхаемый человеком и атмосферный воздух, на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому диагнозу;

сравнение принимаемых значения откликов R₁, R₂…R_n газовых сенсоров двух газовых сенсорных ячеек 1 и 2 с абсолютными откликами газовых сенсоров согласно созданному классификатору;

выдача по результатам сравнения информации - болеет человек указанным заболеванием или нет.

[0071] Выдача результатов тестирования может быть осуществлена путем вывода информации на дисплей одноплатного компьютера 20 или на персональный компьютер 21.

[0072] В качестве примера, подтверждающего достижения заявляемого технического результата, на фиг. 2 приведены результаты кросс-валидации (самотестирования) для трех вариантов алгоритма машинного обучения случайного леса (Random Forest) для выборки из 465 здоровых людей и 48 больных COVID-19 людей. При этом на части фиг. 2 (а) изображены результаты, полученные при использовании только датчиков, которые анализируют выдыхаемую человеком воздушную смесь (т.е. только находящиеся в газовой сенсорной ячейке 1), в то время как на фиг. 2 (б) изображены результаты, полученные при использовании всех датчиков, включая те, которые анализируют атмосферный воздух (т.е. находящиеся в газовых сенсорных ячейках 1 и 2). Желтым цветом на диаграммах выделены здоровые люди, которые были определены моделью как здоровые. Бирюзовым (на фиг 2 (а)) и синим (на фиг 2 (b)) здоровые люди, которые были определены моделью как больные - т.е. ложно-положительное срабатывание. Темно-фиолетовым цветом выделены больные COVID-19 люди, которые были определены как здоровые - т.е. ложно-отрицательное срабатывание, светло-фиолетовым выделены больные люди, которых модель определила, как больных. Также отметим, что пороги разделения в методе при обучении могут быть настроены таким образом, чтобы исключить возможность получения ложно-отрицательных срабатываний за счет увеличения ложно-положительных. Это может быть важно в зависимости от возможных применений подобных приборов.

[0073] Алгоритм машинного обучение, не учитывающий показания газовых сенсоров, анализирующих атмосферный воздух (фиг. 2а), дает долю ложноотрицательных и ложноположительных срабатываний в 5 и 30% соответственно. При этом алгоритм машинного обучения, учитывающий показания газовых сенсоров, анализирующих атмосферный воздух (фиг. 2б) позволяет улучшить результат примерно в 2 раза: доля ложноотрицательных и ложноположительных срабатываний уменьшается до 3 и 14%, соответственно.

[0074] При нажатии кнопки «Мешок» открывается электромагнитный клапан 5 (электромагнитные клапаны 3 и 4 находятся в закрытом положении), и включается мембранный насос 6, осуществляющий принудительную прокачу пробы воздуха из мешка с пробой через газовую сенсорную ячейку 1. При этом сенсоры газовой ячейки 1 анализируют состав воздуха, заранее набранного в проботборный мешок. Обработка откликов газовых сенсоров газовой сенсорной ячейки 1 микроконтроллером 18 осуществляется аналогично обработке откликов при режиме работы «Выдох». Учет состава атмосферного воздуха в данном случае не происходит, поскольку выдыхаемый воздух мог быть набран не в месте расположения прибора, и такой учет может только исказить результаты измерений.

[0075] В результате данного режима обеспечивается возможность анализа не только прямых выдохов пациента, но и возможность анализа проб, предварительно собранных в мешок, необходимость которых обеспечена, например, невозможностью проведения анализа прямых выдохов. При этом в данном режиме не требуется параллельного проведения анализа состава атмосферного воздуха посредством газовой сенсорной ячейки 2, поскольку он никак не влияет на состав пробы в мешке.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого воздуха содержит корпус, вход для забора пробы выдыхаемого воздуха, вход для забора пробы атмосферного воздуха, выход для отвода пробы атмосферного воздуха и пробы выдыхаемого воздуха, две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки, два воздушных канала, управляемые электромагнитные клапаны, мембранные насосы, измерительно-управляющий блок, а также блок управления клапанами и насосами. Первый воздушный канал соединяет первую ячейку с входом забора пробы выдыхаемого воздуха и выходом для вывода отработанных проб. Второй воздушный канал соединяет вторую ячейку с входом забора атмосферного воздуха и выходом сброса отработанных проб. Клапаны и насосы установлены в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать поток пробы атмосферного воздуха в обе ячейки, или поток пробы выдыхаемого воздуха в первую ячейку и поток пробы атмосферного воздуха во вторую ячейку, или поток пробы выдыхаемого воздуха только в первую ячейку. Микроконтроллер измерительно-управляющего блока обеспечивает сравнение откликов газовых сенсоров ячеек с тестовыми откликами, соответствующими подтвержденному или опровергнутому диагнозу, а также выдачу по результатам сравнения информации о том, болеет человек указанным заболеванием или нет. Достигается повышение достоверности результатов анализа выдыхаемого воздуха за счет учета изменения состава окружающего атмосферного воздуха, которым дышат диагностируемые люди. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство анализа летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха, содержащее: корпус;

вход для забора пробы выдыхаемого пациентом воздуха, выполненный с возможностью подсоединения съемного мундштука или мешка с отобранной пробой воздуха;

вход для забора пробы атмосферного воздуха;

выход для отвода пробы атмосферного воздухам и пробы выдыхаемого пациентом воздуха;

две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки (1) и (2), содержащие массив полуселективных газовых сенсоров с различным механизмом отклика, выбранным таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний, содержащиеся в выдыхаемом воздухе;

первый воздушный канал отбора пробы выдыхаемого человеком воздуха, соединяющий первую газовую сенсорную ячейку (1) с входом забора пробы выдыхаемого воздуха и выходом для вывода отработанных проб;

второй воздушный канал отбора проб внешнего атмосферного воздуха, соединяющий вторую газовую сенсорную ячейку (2) с входом забора атмосферного воздуха и выходом сброса отработанных проб;

три управляемых электромагнитных клапана, установленные в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать:

поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовые сенсорные ячейки (1) и (2),

или

поток пробы выдыхаемого воздуха в газовую сенсорную ячейку (1) и поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку (2), или

поток пробы выдыхаемого воздуха только в газовую сенсорную ячейку (1) в зависимости от полученного управляющего сигнала режима работы устройства,

два мембранных насоса, установленных в воздушные каналы таким образом, чтобы обеспечивать принудительный отбор проб и прохождения пробы выдыхаемого воздуха и пробы внешнего атмосферного воздуха следующим образом:

поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовые сенсорные ячейки (1) и (2),

или

поток пробы выдыхаемого воздуха в газовую сенсорную ячейку (1) и поток пробы внешнего атмосферного воздуха в газовую сенсорную ячейку (2), или

поток пробы выдыхаемого воздуха только в газовую сенсорную ячейку (1) в зависимости от полученного управляющего сигнала режима работы устройства;

измерительно-управляющий блок, включающий микроконтроллер, снабженный аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), при этом аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен с возможностью:

подачи напряжения произвольной амплитуды на электроды каждого газового сенсора в газовых сенсорных ячейках (1) и (2);

измерения параметров отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовых сенсорных ячеек 1 и 2 в зависимости от времени;

передачи откликов R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовых сенсорных ячеек 1 и 2 на микроконтроллер;

при этом микроконтроллер выполнен с возможностью:

получения отклика R₁, R₂…R_n каждого газового сенсора газовых сенсорных ячеек 1 и 2;

сравнения полученных откликов R₁, R₂…R_n с классификатором, предварительно занесенным в память микроконтроллера, содержащим тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, разделенные на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому определенному диагнозу;

выдачи по результатам сравнения информации - болеет человек указанным заболеванием или нет;

блок управления электромагнитными клапанами и насосами, подключенный к микроконтроллеру и выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на электромагнитные клапаны и мембранные насосы в зависимости от режима работы устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что массив сенсоров в газовых сенсорных ячейках 1 и 2 состоит из сенсоров на основе органических полевых транзисторов, и/или металлооксидных сенсоров, и/или электрохимических ячеек.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в воздушные каналы установлены три обратных клапана.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено USB-интерфейсом.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено одноплатным компьютером, подключенным к микроконтроллеру и выполненным с возможностью отображения результатов тестирования.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что одноплатный компьютер размещен на корпусе устройства.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые сенсорные ячейки (1) и (2) могут быть совмещены в общем корпусе с обеспечением изолированных воздушных каналов для прохождения анализируемых проб выдыхаемого воздуха и внешнего атмосферного воздуха, или каждая газовая сенсорная ячейка (1) и (2) может быть размещена в отдельном корпусе.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчики температуры воздуха и датчики влажности отделены термобарьером от газовых сенсоров.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые сенсоры в газовых сенсорных ячейках (1) и (2) размещены таким образом, что попарно расположенные сенсоры в ячейках 1 и 2 имеют одинаковые характеристики.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вход для забора пробы атмосферного воздуха и вход для забора пробы выдыхаемого воздуха снабжены бактерицидными фильтрами.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что классификатор, содержащий тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, формируется методами машинного обучения.