БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ 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 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[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 механизмам 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 при создании приборов и/или диагностических комплексов для первичной неинвазивной диагностики, и/или экспресс-тестирования различных заболеваний, например, астма, ХОБЛ, сахарный диабет, туберкулез, острые респираторные заболевания, которые могут использоваться для диагностики пациентов в медицинских учреждениях, в местах массовых скоплений людей, а также как устройства 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] Недостатком данной системы является наличие фильтра влажности и преконцентратора, которые на себе могут осаждать не только влагу, но и целевые компоненты исследуемого воздуха, тем самым снижая точность и чувствительность распознавания биомаркеров.

[0006] Известна газовая сенсорная ячейка для неинвазивного анализа выдыхаемого человеком воздуха, которая включает в себя массив полуселективных газовых сенсоров с различным механизмом отклика, выбранным таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний, содержащиеся в выдыхаемом воздухе, датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, измерительный блок, подключенный к массиву газовых сенсоров, микропроцессор, к которому подключены измерительный блок, датчик температуры [патент RU 2787244, дата публикации 30.12.2022].

[0007] Недостаток данной газовой ячейки заключается в том, что в ее состав входит всего одна сенсорная ячейка, предназначенная только для анализа выдыхаемого пациентом воздуха, что не позволяет учитывать возможный вклад состава воздуха внешней окружающей среды в измерения выдыхаемого пациентом воздуха, что может влиять на достоверность получаемых результатов тестирования.

[0008] Известно устройство для измерения концентрации газов в выдыхаемом воздухе, которое содержит первый воздухозаборник для подачи нефильтрованного окружающего воздуха и воздуха, выдыхаемого пациентом, в устройство; второй воздухозаборник с фильтром оксида азота для подачи в устройство фильтрованного окружающего воздуха; насос для всасывания окружающего воздуха в устройство; датчик оксида азота для измерения концентрации оксида азота в воздухе; первый клапан, расположенный ниже по потоку от первого воздухозаборника и выше по потоку от датчика оксида азота; второй клапан, расположенный ниже по потоку от второго воздухозаборника и выше по потоку от датчика оксида азота; третий клапан, расположенный после датчика оксида азота в первом трубопроводе, который направляет воздух, выдыхаемый пациентом, к первому выпускному отверстию для воздуха; четвертый клапан, расположенный после датчика оксида азота во втором трубопроводе, который направляет окружающий воздух ко второму выпускному отверстию для воздуха [US 11009501 В2, дата публикации 18.05.2021].

[0009] Недостаток данного устройства заключается в том, что в нем используется только датчик для детектирования оксида азота в выдыхаемом воздухе, что ограничивает его применение для тестирования на широкий спектр заболеваний.

[0010] 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].

[0011] 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 - датчик на оксид азота.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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. Изменение состава окружающего атмосферного воздуха может приводить к изменению состава анализируемой выдыхаемой воздушной смеси пациента и, как следствие, к искажению результатов тестирования.

[0015] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что блок детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха характеризуется тем, что включает в себя:

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

датчик температуры воздуха;

датчик относительной влажности воздуха;

два изолированных друг от друга воздушных канала, каждый из которых соединен со своей газовой сенсорной ячейкой, причем один воздушный канал выполнен с возможностью отбора и подачи в газовую сенсорную ячейку выдыхаемого человеком воздуха, а второй воздушный канал выполнен с возможностью отбора и подачи в газовую сенсорную ячейку внешнего атмосферного воздуха;

микроконтроллер, к которому подключены газовые сенсоры двух газовых сенсорных ячеек, причем микроконтроллер выполнен с возможностью получения отклика каждого газового сенсора, сравнения полученных откликов с классификатором, содержащим тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, разделенные на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому определенному диагнозу, и выдачи информации о том, болеет человек указанным заболеванием или нет.

[0016] 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.

[0017] Появление посторонних примесей в атмосферном воздухе в зоне проведения диагностирования (забора пробы), например, после дезинфекции помещения или в случае, если к прибору для тестирования 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.

[0018] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, массив газовых сенсоров состоит из органических полевых транзисторов и/или электрохимических ячеек, и/или металлооксидных сенсоров.

[0019] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, газовые сенсорные ячейки совмещены в общем корпусе с обеспечением изолированных воздушных каналов для прохождения воздушных смесей, или каждая газовая сенсорная ячейка размещена в отдельном корпусе.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РЕАЛИЗАЦИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Реализация изобретения подтверждается чертежами, на которых изображены:

[0021] На фиг. 1 показана пневматическая схема блока детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха;

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.

[0022] На чертежах позиции имеют следующее значения:

1, 2 - газовая сенсорная ячейка;

3, 4, 5 - электромагнитный клапан;

6, 7 - мембранный насос;

8, 9, 10 - обратный клапан;

11 - вход для забора пробы атмосферного воздуха;

12 - вход для забора пробы выдыхаемого пациентом воздуха (через съемный мундштук или мешок с заранее отобранной пробой);

13 - выход для сброса воздуха и/или отработанных проб;

14 - микроконтроллер;

[0023] Заявляемый блок детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха (фиг. 1) является ключевым элементом, который может быть использован при разработке приборов и/или программно-аппаратных диагностических комплексов для первичной неинвазивной диагностики, и/или экспресс-тестирования различных заболеваний, например, астма, ХОБЛ, сахарный диабет, туберкулез, острые респираторные заболевания. Прибор для диагностики заболеваний и/или программно-аппаратный диагностический комплекс в целом не является предметом настоящего изобретения.

[0024] Блок детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха (фиг. 1) включает в себя 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, содержащихся в выдыхаемом воздухе, два изолированных друг от друга воздушных канала, каждый из которых соединен со своей газовой сенсорной ячейкой 1 и 2, датчик температуры воздуха (на чертежах не показан), датчик относительной влажности воздуха (на чертежах не показан).

[0025] Массив газовых сенсоров 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.

[0026] 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.

[0027] В предпочтительном варианте реализации изобретения датчики температуры воздуха и датчики влажности отделены термобарьером от газовых сенсоров.

[0028] Воздушные каналы выполнены в виде трубок (фторопластовых и полиэтиленовых) и включают в себя три управляемых электромагнитных клапана 3, 4, 5, два мембранных насоса 6, 7 и три обратных клапана 8, 9, 10, обеспечивающих отбор проб через вход 11 для забора пробы атмосферного воздуха, вход 12 для забора пробы выдыхаемого воздуха, и подачу анализируемых газовых сред - выдыхаемого пациента воздуха и атмосферного воздуха в газовые сенсорные ячейки 1 и 2 соответственно в зависимости от режима работы прибора, в котором может быть использован заявляемый блок детектирования, а также сброс газовых сред, прошедших через газовые сенсорные ячейки 1 и 2, в атмосферу через выход 13 для сброса воздуха и/или 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.

[0029] В качестве управляемых электромагнитных клапанов 3, 4, 5 могут быть использованы нормально-закрытые электромагнитные клапаны модели SLC3.

[0030] 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 12 через бактериальный фильтр (на чертежах не показан), а также для принудительного отбора пробы внешнего атмосферного воздуха через вход 11 и продувки газовых сенсорных ячеек 1 и 2 перед очередным сеансом детектирования. Режим работы мембранных насосов 6 и 7 регулируется в зависимости от режима работы прибора, в котором может быть использован заявляемый блок детектирования. В качестве мембранных насосов 6 и 7 могут быть использованы насосы модели Z512-604-3000N.

[0031] 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.

[0032] Обратные клапаны 8 и 9, установленные перед мембранными насосами 6 и 7 соответственно, необходимы в первую очередь для того, чтобы исключить возможность попадания летучих соединений из насосов 6 и 7 обратно в газовые сенсорные ячейки 1 и 2 соответственно, что может повлиять на достоверность результатов исследований.

[0033] Управление электромагнитными клапанами 3, 4, 5, мембранными насосами 6, 7 и обратными клапанами 8, 9, 10 осуществляется при помощи блока управления на основе P-канальных полевых транзисторов с гальванической развязкой управляющего сигнала (на чертежах не показан).

[0034] Газовые сенсоры от 1 до N газовых сенсорных ячеек 1 и 2 подключены к микроконтроллеру 14, который снабжен специально разработанным 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), полученному методом машинного обучения и предварительно занесенному в память микроконтроллера 14, 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 о том, болеет человек указанным заболеванием или нет.

[0035] Управление режимами работы заявляемого блока детектирования осуществляется посредством кнопок «Продувка», «Мешок», «Выдох» (на чертежах не показаны), размещенных на передней панели прибора, в котором может использоваться заявляемый блок детектирования. Кнопки управления режимами работы подключены к вводам микроконтроллера 14 (на чертежах не показано).

[0036] 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.].

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] Массив газовых сенсоров газовых сенсорных ячеек 1 и 2 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.

[0040] 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 C1, и/или по меньшей мере один металлооксидный 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/или по меньшей мере одной электрохимической ячейки, состоящей из трех электродов (эталонный, измерительный и контр-электрод), помещенных в электролит.

[0041] 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][1]Benzothiophene Suitable for Ethanethiol Detection // Advanced Electronic Materials. - 2022. - P. 2101039. DOI: 10.1002/aelm.202101039.].

[0042] 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 металлооксидных 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.].

[0043] 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 коррелированный отклик, поскольку использование последних не позволяет получать дополнительную информацию и различать болезни между собой.

[0044] Работа заявляемого блока детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха (фиг. 1), используемого в составе прибора для неинвазивного анализа выдыхаемого человеком воздуха, осуществляется следующим образом:

[0045] При нажатии на кнопку «Продувка» (на чертежах не показана) открываются электромагнитные клапаны 3 и 4 (электромагнитный клапан 5 закрыт) и включаются 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.

[0046] В результате данного режима работы 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.

[0047] При нажатии на кнопку «Выдох» (на чертежах не показана) 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 12 отбора пробы, в который установлен съемный мундштук с бактериальных фильтром (на чертежах не показан) 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 14.

[0048] 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.

[0049] Обработка откликов сенсоров газовых сенсоров 1 и 2 происходит в микроконтроллере 14 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 с выдачей результата - болеет человек указанным заболеванием или нет.

[0050] 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.

[0051] Алгоритм машинного обучения, 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.

[0053] 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 пробоотборный мешок. Алгоритм обработки откликов газовых сенсоров газовой сенсорной ячейки 1 микроконтроллером 14, аналогичный 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.

[0054] 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 никах не влияет на состав пробы в мешке.

[0055] По истечении заданного времени после нажатия кнопок «Выдох» или «Мешок» автоматически включится режим «Продувки». Это необходимо для очистки сенсорных ячеек перед следующим анализом.

Изобретение относится к медицинской технике. Блок детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого воздуха содержит две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки, датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, два изолированных друг от друга воздушных канала и микроконтроллер. Массив полуселективных газовых сенсоров ячеек выполнен с различным механизмом отклика, выбранного таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний в выдыхаемом воздухе. Каждый канал соединен со своей ячейкой. Один канал обеспечивает отбор и подачу в ячейку выдыхаемого воздуха. Второй канал обеспечивает отбор и подач в ячейку атмосферного воздуха. Микроконтроллер обеспечивает получение отклика каждого газового сенсора ячеек и сравнение полученных откликов с тестовыми, 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. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок детектирования летучих органических соединений в составе выдыхаемого человеком воздуха, включающий в себя две изолированные друг от друга газовые сенсорные ячейки, содержащие массив полуселективных газовых сенсоров с различным механизмом отклика, выбранным таким образом, чтобы давать некоррелированный отклик на маркеры заболеваний, содержащиеся в выдыхаемом воздухе, датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, два изолированных друг от друга воздушных канала, каждый из которых соединен со своей газовой сенсорной ячейкой, причем один воздушный канал выполнен с возможностью отбора и подачи в газовую сенсорную ячейку выдыхаемого человеком воздуха, а второй воздушный канал выполнен с возможностью отбора и подачи в газовую сенсорную ячейку внешнего атмосферного воздуха, микроконтроллер, к которому подключены газовые сенсоры двух газовых сенсорных ячеек, причем микроконтроллер выполнен с возможностью получения отклика каждого газового сенсора, сравнения полученных откликов с классификатором, содержащим тестовые отклики газовых сенсоров, анализирующих выдыхаемый воздух и внешний атмосферный воздух, разделенные на группы, соответствующие подтвержденному или опровергнутому определенному диагнозу и выдачей по результатам сравнения информации о том, болеет человек указанным заболеванием или нет.

2. Блок детектирования по п. 1, отличающийся тем, что массив сенсоров состоит из органических полевых транзисторов, и/или электрохимических ячеек, и/или металлооксидных сенсоров.

3. Блок детектирования по п. 1, отличающийся тем, что датчики температуры воздуха и датчики влажности отделены термобарьером от газовых сенсоров.

4. Блок детектирования по п. 1, отличающийся тем, что газовые сенсорные ячейки совмещены в общем корпусе с обеспечением изолированных воздушных каналов или каждая газовая сенсорная ячейка может быть размещена в отдельном корпусе.