Устройство для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови - RU2279250C2

Описание

Изобретение относится к медицинской технике измерительных устройств по неинвазивному определению физико-химическими методами присутствия различных органических и неорганических субстратов в организме человека и животных и измерению их концентраций, в частности по неинвазивному измерения концентрации глюкозы в крови человека.

Из методов, целесообразных для определения субстратов при общей диагностике, наиболее адекватными являются способы колориметрического определения по поглощению (спектрофотометрия). В большинстве из них используются относительно недорогие красители, а регламент, точность и специфичность современных спектрофотометрических методов определения позволяет быстро получать результаты, достаточные для вынесения адекватного заключения.

Для определения концентрации глюкозы в биологической ткани неинвазивным способом наиболее подходящим методом является спектрометрический метод анализа рассеянного света, прошедшего биологическую ткань и создавшего за счет флуоренсенции среды возбужденные состояния молекул биологической ткани. В том числе и возбужденные светом молекулы глюкозы. В результате светового возбуждения молекул ткани произойдут переизлучения этих молекул в резонансные световые кванты, соответствующие электронным переходам каждой из этих молекул. На выходе полученное рассеянное излучение спектрометрируют по длинам волн и по интенсивности. Естественно, каждый полученный спектр будет характеризовать соответствующую молекулу, принадлежащую исследуемой биологической ткани.

Известно устройство (RU №2122208), содержащее источник излучения, прижатой к поверхности биологической ткани, оптический блок, фотоприемник и измерительный электронный блок, соединенный с дисплеем.

В известном устройстве по неинвазивному измерению концентрации глюкозы в крови предлагается изготовление прибора по схеме измерения спектрограммы излучения путем регистрации интегрального спектра излучения возбужденных молекул биологической ткани фотопарой лазерный излучатель-фотодетектор и сравнение полученного интегрального спектра излучения молекул биологической ткани со спектром излучения калибровочной крови в виде цифрового кода в памяти микрокомпьютера. Однако предлагаемой аппаратуры в схеме прибора для определения концентрации глюкозы в крови недостаточно, т.к. в таком приборе отсутствует аппаратурные элементы, которые должны произвести вычитание интегрального спектра излучения молекул биологической ткани, не входящих в состав исследуемой крови, что, естественно, приведет к неточному значению измеряемой величины концентрации глюкозы в крови.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в устранение указанных недостатков и направлен на расширение арсенала средств для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, содержащем источник излучения, установленный с возможностью прижатия к поверхности биологической ткани, оптический блок, фотоприемник и измерительный электронный блок, соединенный с дисплеем, оптический блок включает металлическую штангу, вдоль оси которой выполнен канал для установки каретки, на переднем торце которой жестко закреплен источник излучения в виде лазерного светодиода с излучением в диапазоне 340-640 нм, установленные вдоль оси штанги металлическую диафрагму, с возможностью прижатия к противоположной стороне биологической ткани, оптическую систему, состоящую из длиннофокусной и короткофокусной линз с совмещенными фокусами для получения плоскопараллельного пучка света, закрепленное под углом 45° к оси штанги полупрозрачное зеркало, выполненное с возможностью разделения светового потока на проходящий луч, параллельный оси штанги, и опорный луч, перпендикулярный оси штанги, при этом по ходу проходящего луча установлены прозрачная стеклянная кювета с водным раствором глюкозы и фотоприемник для регистрации прошедшего через нее излучения, а по ходу опорного луча установлены прозрачная стеклянная кювета с водой и фотоприемник для регистрации прошедшего через нее излучения, при этом фотоприемник соединены через соответствующие усилители с измерительным электронным блоком.

Сущность изобретения поясняется чертежом схемы устройства измерения концентрации глюкозы в крови.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из оптического и измерительного электронного блоков. Оптический блок содержит прямоугольную металлическую штангу 1 в виде оптической скамьи с вырезанным на поверхности вдоль штанги трапециевидного сечения каналом, в который вставляют с трапециевидными шипами каретку 2, на которой жестко закрепляют на переднем торце каретки светодиод 3 с лазерным излучением 4 в видимом диапазоне 340-640 нм, ось которого направляют вдоль оси штанги и излучающей поверхностью прижимают к поверхности биологической ткани 5, через которое проходит лазерное излучение 4 и преобразуется за счет рассеивания и флуоресцентное возбуждение молекул ткани в рассеянный свет 6, каретку 7 вставляют на расстоянии порядка 0,5 см от переднего торца каретки 1 и жестко закрепляют по одной оси параллельно оси штанги на заднем торце каретки металлическую диафрагму 8 толщиной не более 1 мм и с диаметром отверстия не более 1 см, которую плотно прижимают к другой поверхности биологической ткани 5 и из которой выходит рассеянный свет 6, а на расстоянии 2 см от диафрагмы 8 оптическую систему 9, состоящую из длиннофокусной линзы и короткофокусной с совмещенными фокусами для получения плотного плоскопараллельного пучка света 10, вставляют на расстоянии порядка 1 см от каретки 7 каретку 11, на которой перпендикулярно оси штанги последовательно вдоль оси каретки жестко закрепляют полупрозрачное зеркало 12 под углом 45° к оси штанги, которое разделяет световой поток 10 на два одинаковых по интенсивности потока: проходящий световой луч 14, распространяющийся на одной осевой линии со светодиодом 3 и диафрагмой 8, и на опорный световой луч, направленный перпендикулярно оси штанги и параллельно оси, соединяющей центр полупрозрачного зеркала и прозрачную стеклянную кювету 15 с водой, которая располагается на расстоянии 2 см от центра полупрозрачной пластины 12, и фотоприемник 16, регистрирующий излучение после прохождения потока через кювету 15 на расстоянии 0,5 см от задней поверхности кюветы 15, вставляют на расстоянии 2 см от каретки 11 с осью параллельной оси штанги 1 каретку 17, на которой жестко закрепляют последовательно вдоль оси каретки кювету 18 с водным раствором из исследуемой глюкозы, в котором происходит резонансное поглощение флуоресцентного спектра излучения молекул исследуемого субстрата от светового потока 14, и фотоприемника 19, регистрирующий излучение после прохождения световым потоком 13 кюветы 18, и из измерительного электронного блока, в котором усилитель 20 соединяют с фотоприемником 16 с чувствительностью порядка 10^-3 мВ, усилитель 21 соединяют с фотоприемником 19с чувствительностью порядка 10^-3 мВ, усилители 20 и 21 соединены с измерительным электронным блоком 22, подсоединенным к дисплею 23.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Светодиод 3 устанавливают излучающей поверхностью к поверхности биологической ткани 5 человека или животного, пропускают лазерное излучения через толщу биологической ткани 5, рассеивают свет на неоднородностях биологической ткани 5. При этом возбуждают флуоресцентное излучение электронных синглетно-триплетных и вращательно-колебательные переходов органических молекул и на выходе из биологической ткани 5 получают рассеянный свет 6. На расстоянии 0,5 см от каретки 2 вставляют каретку 7, на которой жестко закрепляют с заднего торца каретки диафрагму 8, и плотно прижимают поверхность диафрагмы 8 к поверхности биологической ткани 5 и диафрагмируют рассеянный свет 6, на этой же каретке 8 вдоль оси штанги на расстоянии 1 см закрепляют оптическую систему 9, с помощью которой формирует из рассеянного света 6 плотный параллельной поток излучения 10. На расстоянии 2 см от каретки 7 вставляют каретку 11, ось симметрии которой перпендикулярна оси штанги, и на этой каретке вдоль ее оси жестко закрепляют полупрозрачное зеркало 12, с помощью которого разделяют световой поток 10 на два одинаковых по интенсивности световых потоков: на опорный световой луч 13 и проходящий световой поток 14. Через кювету 15, в которой находится растворитель, пропускают отраженный световой поток 14 для отделения из этого потока флуоресцентного излучения молекул воды за счет резонансного поглощения, и регистрируют датчиком фотоприемника 16, прошедший через кювету 15 интенсивность светового потока 13. На расстоянии 1 см от каретки 11 вставляют каретку 17с осью симметрии параллельной оси штанги и жестко на ней закрепляют кювету 18 с водным раствором глюкозы, через которую пропускают световой поток 14 для отделения флуоресцентного излучения молекул растворителя и исследуемой субстанции за счет резонансного поглощения. Датчик фотоприемника 19 регистрирует, прошедший через кювету светового потока 14. Измерительным электронным блоком 22 производят вычитание электрических сигналов от блоков 20 и 21, и выход которого подсоединен к дисплею 23, на экране которого выводятся результаты измерения.

Параметры основных элементов прибора по неинвазивному измерению концентрации глюкозы в крови.

Лазерный источник света:

Мощность - 10 мВт. Длина волны - 640 нм (красный свет).

Кювета с водным раствором глюкозы:

Толщина кюветы - 1 см, концентрация раствора с=0,1 моль/л.

Фоторегистрирующие датчики:

Чувствительность - не менее 10^-3 мВт.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к измерительным устройствам для определения присутствия различных органических и неорганических субстратов в организме человека и животных и измерения их концентраций, в частности для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови человека. Устройство для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови содержит источник излучения, установленный с возможностью прижатия к поверхности биологической ткани, оптический блок, фотоприемник и измерительный электронный блок, соединенный с дисплеем, при этом оптический блок включает металлическую штангу, вдоль оси которой выполнен канал для установки каретки, на переднем торце которой жестко закреплен источник излучения в виде лазерного светодиода с излучением в диапазоне 340-640 нм, установленные вдоль оси штанги металлическую диафрагму, с возможностью прижатия к противоположной стороне биологической ткани, оптическую систему, состоящую из длиннофокусной и короткофокусной линз с совмещенными фокусами для получения плоскопараллельного пучка света, закрепленную под углом 45° к оси штанги полупрозрачное зеркало, выполненное с возможностью разделения светового потока на проходящий луч, параллельный оси штанги, и опорный луч, перпендикулярный оси штанги, при этом по ходу проходящего луча установлены прозрачная стеклянная кювета с водным раствором глюкозы и фотоприемник для регистрации прошедшего через нее излучения, а по ходу опорного луча установлены прозрачная стеклянная кювета с водой и фотоприемник для регистрации прошедшего через нее излучения, при этом фотоприемники соединены через соответствующие усилители с измерительным электронным блоком. Использование изобретения позволяет расширить арсенал устройств для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови человека. 1 ил.

Формула