Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху
Рассмотрены методы анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решения проблемы. Розглянуто методи аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми. An overview of the methods of high...
Saved in:
| Published in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46391 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху / С.И. Лукаш // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 62-71. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860105972028014592 |
|---|---|
| author | Лукаш, С.И. |
| author_facet | Лукаш, С.И. |
| citation_txt | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху / С.И. Лукаш // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 62-71. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| description | Рассмотрены методы анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решения проблемы.
Розглянуто методи аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми.
An overview of the methods of high sensitive gas analysis of the molecular biomarkers in exhaled air is presented. A specific of the exhaled air chemical content studies at the level of micro concentrations as well as general demands to the applied instrumental approach are discussed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:31:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 62
S.I. Lukash
PROBLEMS OF DIAGNOSTICS
OF SOME DISEASES
ON EXHALED AIR
An overview of the methods of high
sensitive gas analysis of the molecular
biomarkers in exhaled air is presented.
A specific of the exhaled air chemical
content studies at the level of micro
concentrations as well as general de-
mands to the applied instrumental
approach are discussed.
Key words: biomarkers, exhaled air,
sensors.
Розглянуто методи аналізу повітря,
що видихає людина, на вміст мар-
керних газів та обговорюються
шляхи апаратного вирішення про-
блеми.
Ключові слова: маркерні гази, діаг-
ностика, сенсори.
Рассмотрены методы анализа вы-
дыхаемого человеком воздуха на
наличие маркерных газов и обсуж-
даются пути аппаратного решения
проблемы.
Ключеые слова: маркерные газы, ди-
агностика, сенсоры.
С.И. Лукаш, 2010
УДК 681.3: 591.3
С.И. ЛУКАШ
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ
НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
ПО ВЫДЫХАЕМОМУ ВОЗДУХУ
Введение. Повышение эффективности ди-
агностики заболеваний за счет использова-
ния широкого круга аппаратуры, методов,
более полного и разностороннего анализа
признаков является актуальным направле-
нием в медицине.
Анализ выдыхаемого пациентом воздуха
относится к неинвазивным методам диаг-
ностики пациентов, что и вызывает повы-
шенный интерес.
Известно [1], что одним из важнейших
факторов существования живых организ-
мов является их газообмен с окружающей
средой. Его основу составляют поглощение
кислорода и выделение паров воды и угле-
кислого газа, происходящие при внешнем
дыхании и обусловленные в основном
энергозатратами организма. Эти процессы
настолько интенсивны, что изменения кон-
центрации О2 и СО2 вследствие дыхания
достигают нескольких процентов (>
3
%) от
суммарного состава выдыхаемого воздуха.
Эти и другие достаточно легкие газо-
образные соединения, которые в гораздо
меньших количествах образуются в ор-
ганизме, присутствуют в выдыхаемом
воздухе в виде следов (концентрация ме-
нее 10−6 %) и являются признаками или
маркерами протекающих биохимических
процессов.
Данные о выделении таких веществ и их
концентрация являются ценными для диаг-
ностики некоторых заболеваний. Перечень
заболеваний и сопутствующие газы в вы-
дыхаемом воздухе приведены в табл. 1 [2].
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 63
ТАБЛИЦА 1. Заболевания и сопутствующие им газы в выдохе человека
Заболевания Маркерный газ Концентрация
Инфицирование бактерией Helicobacter pylori; прохожде-
ние пищи через желудочно-кишечный тракт; дисфункция
печени, в том числе цирроз; избыточный рост бактерий;
дисфункции поджелудочной железы; метаболизм желчи;
метаболизм глюкозы
Диоксид
углерода (СО2)
> 4 %
Анемии (гемолитическая, сидеробластическая, серповидно-
клеточная); гематомы, гемоглобинурия, инфекции; инфек-
ция дыхательных путей; астма
Монооксид
углерода
(СО)
> 2 %
Хроническая обструктивная болезнь легких; астма; инфек-
ция верхних дыхательных путей; ринит; воспалительные
процессы в желудке (гастрит), в том числе инфекция
Helicobacter pylori; рак органов пищеварения; тяжелый
сепсис; хронические инфекционные воспалительные про-
цессы (гастрит, гепатит, колит)
Окись азота
(NO)
10 – 100 ppb
Функция поджелудочной железы при остром деструктив-
ном панкреатите и диетическом разбалансе; тяжелая сер-
дечная недостаточность; рак легкого
Ацетон
(С3Н6О)
4 − 20 ppm
Заболевания центральной нервной системы; сахарный диа-
бет; алкоголизм
Метанол
Этанол
Ацетальдегид
> 500 ppm
4 − 20 ppm
Почечная недостаточность: при нефритах, гипертониче-
ской болезни, атеросклерозе почечных артерий, токсикозе,
токсических поражениях почек; недостаточность печени
при желтухах, гепатитах, циррозе печени, токсическом
гепатите; рак легкого
Аммиак (NH
3
)
> 1 ppm
Расстройства желудочно-кишечного тракта Метан (CH
4
) > 5 %
Примечание: ppm, ppb – одна молекула на миллион или миллиард молекул воздуха
соответственно.
Основной причиной всех болезней органов становится нарушение процес-
сов метаболизма. Нарушается газообмен между организмом и окружающей сре-
дой, который состоит из трех следующих этапов [3]:
- вентиляция − поступление воздуха по воздухоносным путям в альвеолы во
время вдоха и его удаление во время выдоха;
- диффузия или проникновение кислорода и углекислого газа через альвео-
лярно-капиллярную мембрану из альвеол в легочные капилляры и обратно;
- перфузия − доставка крови, обогащенной кислородом, по легочным арте-
риям, распределение ее по капиллярам и удаление из них крови, богатой угле-
С.И. ЛУКАШ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 64
кислым газом, в обратном направлении по легочным венам.
Из вышеприведенного следует, что в выдыхаемом воздухе проявляется ре-
зультат изменений в любом из звеньев, чему в той или иной степени способст-
вует нарушение защитных механизмов иммунной системы.
Рассмотрим некоторые методы и аппаратуру, используемые для обнару-
жения маркерных газов, выделение которых связано с заболеваниями.
Маркерные газы, их свойства и особенности.
Диоксид углерода СО2. В нормальных условиях в составе вдыхаемого воз-
духа содержится О2 = 20,93 % и СО2 = 0,03 %, а в выдыхаемом воздухе О2 = 16 %
и СО2 = 4,5 %. Накопление экспериментального материала и дальнейший про-
гресс науки показал, что coдержание углекислого газа в крови в определенном
количестве улучшает усвоение кислорода организмом. Оптимальная концентра-
ция: 6 – 8 %, при дальнейшем её повышении усвоение кислорода начинает сни-
жаться. При недостаточной концентрации углекислого газа в крови, кислород
излишне прочно связывается с гемоглобином и уже не может в нужный момент
"оторваться" от эритроцитов. В этом случае проникновение кислорода в клетки
тканей из крови уменьшается в несколько раз. Клетки начинают испытывать зна-
чительный кислородный голод при выcoкой насыщенности крови кислородом.
Окись углерода CO бесцветный, практически без запаха, очень ядовитый
газ. При попадании в организм он связывается с гемоглобином, содержащимся в
эритроцитах крови, с образованием карбоксигемоглобина COHb, имеющего яр-
ко-красную окраску. Это соединение является химически устойчивым; при его
образовании гемоглобин не может соединяться с кислородом. Окись углерода в
большом количестве присутствует в каменноугольном газе и в выхлопных газах
автомобилей.
В нормальных условиях эндогенная окись углерода образуется в организме в
небольших количествах (0,42 ± 0,07) мл/ч. Физиологическая норма концентра-
ции COHb составляет 0,5 – 1,5 %, у заядлых курильщиков и больных с тяжелы-
ми формами гемолитической анемии и порфирии она может достигать 10 %.
Особо требуется контроль за концентрацией СО при проведении анестезии по
полузакрытому контуру, так как это может затруднить элиминацию СО из орга-
низма с последующим его накоплением. Согласно T.A. Fawcett и соавторы [4],
микропризнаки интоксикации окисью углерода могут быть выявлены в случаях,
когда концентрация этого газа в дыхательном контуре нарастает со скоростью
600 – 900 ррm/час. Увеличение концентрации CO более чем на 1500 ppm/час
представляет угрозу для жизни пациента.
Оксид азота NO. Еще в 90-е годы было обнаружено, что молекулы NO и
CO, которые до того времени рассматривались исключительно как экзогенные
соединения с токсическим действием, играют важнейшую роль в жизни орга-
низма [5]. Сложность исследования эндогенно-образуемых газообразных моле-
кул связана как с необычным разнообразием биохимических и физиологи-
ческих процессов, действующих в живом организме, так и с множеством факто-
ров, определяющих специфику их образования и выделения.
Говоря о клеточном метаболизме, нельзя не упомянуть, что по сущест-
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 65
вующим сегодня представлениям весь набор внутриклеточных сигналов опосре-
дуется так называемыми вторичными биорегуляторами. Доказано, что посредст-
вом NO реализуется механизм расширения кровеносных сосудов. Оксид азота,
как выдыхаемый газ, отражает состояние дыхательных путей.
Предполагается, что наличие NO в некоторых нервных окончаниях связано с
его участием в реализации механизмов восприятия боли и памяти. Окись азота
так или иначе участвует в осуществлении реакций воспалительного каскада, ме-
ханизмах гибели клеток. Пока единственным прямым методом определения NO
в тканях является газовая хроматография.
В атмосфере фоновые концентрации изменяются в пределах 0,4 – 9,4 мкг/м3.
Типичное содержание диоксида азота в воздухе городов ≈ 20 – 90 мкг/м3, часо-
вые концентрации могут достигать 240 – 850 мкг/м3. Вблизи заводов, про-
изводящих азотную кислоту или взрывчатые вещества или вблизи теплоэлектро-
станций отмечаются очень высокие концентрации. В выдыхаемом воздухе при
патологии – на уровне десятков ppb.
Ацетон С3Н6О. Ацетон − продукт метаболизма свободных жирных кислот.
Длительное голодание и декомпенсированный сахарный диабет служат факто-
рами, способствующими повышенному образованию ацетона в организме. Не-
значительная часть ацетона, поступившего в организм, превращается в оксид
углерода, который выделяется с выдыхаемым воздухом. Некоторое количество
ацетона выделяется из организма в неизменном виде с выдыхаемым воздухом и
через кожу, создавая так называемый слабый запах «кленового сиропа», а неко-
торое – с мочой. При патологии концентрация ацетона в выдыхаемом воздухе
может лежать в пределах 4 – 20 ppm [6].
Этанол С2Н5ОН. Этиловый спирт обладает многообразным фармакологи-
ческим и токсическим действием на нервную систему и другие системы орга-
низма. Кроме собственных эффектов алкоголя, его потребление может приводить
и к потенцированию действия иных химических веществ и соединений, присут-
ствующих в организме. Все это обуславливает чрезвычайную сложность физио-
логического действия алкоголя, полиморфизм клинических проявлений и пове-
дения индивида при алкогольной интоксикации. Содержание паров алкоголя в
выдыхаемом воздухе выражается в миллиграммах на 1 м3 (мг/м3) и с учетом от-
ношения плотностей крови и воздуха может быть ориентировочно выражено в
промилле по крови. При этом 0,1 град./00 алкоголя в крови соответствует примерно
45 мг/м3 алкоголя в выдыхаемом воздухе. Следует отметить, что при исследова-
нии выдыхаемого воздуха на алкоголь нередко допускаются ошибки. Чаще всего
они обусловлены неточным выполнением методики исследования. В выдыхае-
мый воздух алкоголь проникает из крови, диффундируя через стенки альвеол.
Соотношение концентрации алкоголя в крови и альвеолярном воздухе постоян-
но, оно определяется разностью плотности сред: крови и воздуха и составляет в
среднем 1 : 2200 при колебаниях от 1300 до 3000. Это означает, что в 2200 см3
альвеолярного воздуха содержится такое же количество алкоголя, как и в 1 см3
крови [7].
С.И. ЛУКАШ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 66
Способы регистрации состава выдыхаемого воздуха (датчики и аппара-
тура). Определение микросостава выдыхаемого воздуха относится к числу наи-
более сложных аналитических задач [8]. Учитывая это лишь немногие физико-
химические методы определения следовых количеств газообразных веществ на-
шли применение в этой области исследований. Среди них газовая хроматография
(ГХ), масс-спектрометрия, совмещенная с газохроматографическим разделением
(МС-ГХ), электрохимические сенсоры (ЭХ), полупроводниковые сенсоры (ПС),
УФ-хемолюминесценция (УФХЛ) и ИК-спектроскопия (ИКС). Последняя вклю-
чает фурье-спектроскопию (ФС), оптоакустическую спектроскопию (ОАС) и ла-
зерную спектроскопию (ЛС). Далее дана краткая характеристика некоторых ме-
тодов с точки зрения возможности их использования при анализе состава выды-
хаемого воздуха.
При расчете состав воздушной газовой смеси принимался близким к составу
выдыхаемого воздуха (N2 – 74 %, O2 – 18 %, H2O – 5 %, CO2 – 3 %), а общее дав-
ление – равным 760 мм рт. ст.
Следовые количества постоянно присутствующих в выдыхаемом воздухе
газов: оксид и диоксид углерода, оксид азота и пары воды – можно определить
в воздухе с помощью ультразвукового детектора, электрохимического детектора,
в котором используют реакцию окисления СО на платиновом электроде, ар-
гонового ионизационного детектора, а также с помощью масс-спектрометра,
чувствительность которого к оксидам углерода и азота того же порядка, что и к
углеводородам.
Выбор метода и аппаратуры должны определяться необходимой точностью
измерения, длительностью времени анализа. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88
(01.01.89 с изменениями от 20 июня 2000 г.) при измерениях концентраций вред-
ных газов в воздухе рабочей зоны ниже предельно-допустимой концентрации
(ПДК) границы допускаемой абсолютной погрешности измерений должны со-
ставлять не более ± 25 % от измеряемой величины при доверительной вероятно-
сти 0,95.
Используемые в конкретных исследованиях методы подбираются таким об-
разом, чтобы их аналитические возможности были адекватны решаемой диагно-
стической задаче и ее специфике. Можно выделить несколько методических под-
ходов, часто используемых при анализе состава выдыхаемого воздуха:
• использование накопления и конденсации выдыхаемого воздуха, позво-
ляющих повысить концентрационную чувствительность анализа;
• регистрация процессов в реальном времени и проведение долговременного
и непрерывного мониторинга;
• минимизация объема анализируемой пробы воздуха для локализации об-
ласти продукции исследуемого соединения;
• отбор и анализ многократных проб для определения динамики выделения
исследуемого соединения;
• проведение относительных измерений;
• одновременный анализ нескольких соединений.
Основным критерием выбора метода обнаружения и регистрации таких га-
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 67
зов является чувствительность датчика и его селективность.
В табл. 2 приведены типичные методы определения некоторых газов,
диапазоны измерения концентрации и возникающие в таком методе погрешно-
сти [9].
ТАБЛИЦА 2. Диапазон концентрационных измерений датчиков
Газ
Метод, тип
датчика
Диапазон измере-
ния
Погрешность
абсолютная
относи-
тельная
Диоксид
углерода
СО2
Оптический
0 – 5 – 20 об. %
± (0,10 + 0,04Сх) об.%
−
Оксид
углерода
СО
Электро-
химический,
полупроводни-
ковый
0 – 20 – 120 мг/м3
± 5 мг/м3
± 25 %
Диоксид
азота NО2
Электро-
химический
0 – 2 – 20 мг/м3
± 0,5 мг/м3
± 25 %
Ацетон
Электро-
химический,
полупроводни-
ковый
0 – 2 – 20 мг/м3
± 0,5 мг/м3
± 25 %
Примечание: Сх – измеренное значение концентрации газа.
Выбор детектора принципиально важен для анализа биологических проб. По
характеру измеряемого физического параметра методы газового анализа можно
разделить на механические, акустические, тепловые, магнитные, оптические,
ионизационные, масс-спектрометрические, электрохимические, полупроводни-
ковые.
В электрохимических методах [10] измеряют параметры системы, состоя-
щей из жидкого или твердого электролита, электродов и определяемого компо-
нента газовой смеси или продуктов его реакции с электролитом. Так, потенцио-
метрический метод основан на зависимости потенциала индикаторного электро-
да от концентрации иона, полученного при растворении определяемого компо-
нента в растворе; амперометрический – на зависимости между током и количе-
ством определяемого компонента, прореагировавшего на индикаторном электро-
де; кондуктометрический – на измерении электропроводности растворов при
поглощении ими определяемого компонента газовой смеси. Электрохимически-
ми методами измеряют содержание примесей SO2, O2, H2S, NH3, O3, C12, NO2.
ЭХ анализаторы являются относительно простыми и надежными приборами,
идеально подходящими для исследований, требующих компактности и автоном-
С.И. ЛУКАШ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 68
ного питания. Поскольку чувствительность этих датчиков не очень велика, то
для диагностики состава выдыхаемого воздуха они применяются лишь в некото-
рых специальных случаях. Серьезным недостатком применения ЭХ-сенсоров
является низкая селективность анализа, усугубляющаяся для сложных газовых
смесей и в присутствии воды. Для улучшения селективности анализа использу-
ются фильтры и ловушки, которые, однако, могут неконтролируемым образом
пропускать некоторые газы.
В полупроводниковых методах газового анализа измеряют сопротивление
полупроводника (пленки или монокристалла), взаимодействующего с опреде-
ляемым компонентом газовой смеси. Взаимодействие может состоять, напри-
мер, в хемосорбции газов поверхностью. В результате адсорбции молекул ис-
следуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров
увеличивается. Перспективно использование анализаторов состава газовой фазы
с матрицей сенсоров. Каждый сенсор не является строго селективным по отно-
шению к какому-либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора
на разные газы должна быть индивидуальна. В качестве чувствительных эле-
ментов мультисенсорной системы предполагается использовать нанокомпозиты
и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою элек-
тропроводность под воздействием различных веществ. Отдельные датчики в
матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствитель-
ность, селективность) и число их может колебаться от единиц до нескольких
десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки
сигнала. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет
сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества.
В систему пробоотбора анализатора входит система регенерации, пред-
назначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после
воздействия на нее активных компонентов воздушной среды.
Методы применяют для измерения содержания оксидов углерода и азота,
Н2, метана, пропана, О2, галогенсодержащих соединений и др.
Достаточно сложно определить молекулу СО2. Так как химическая структу-
ра данной молекулы не содержит вакантного места для дополнительных атомов
кислорода, популярные и относительно дешевые металл-оксидные полупровод-
никовые газовые сенсоры не сработают. Электрохимические элементы обладают
некоторой способностью измерения уровня СО2, однако значительными про-
блемами являются зависимость показаний прибора от влажности и относитель-
ная недолговечность. Измерение с помощью ИК-излучения пока остается одним
из подходящих методов [11]. СО2 обладает сравнительно отчетливыми харак-
терными признаками в ИК-области спектра с пиком 4,26 мкм. Типичный ИК
СО2 сенсор состоит из:
• источника ИК-излучения – стандартной импульсной лампы с вольфра-
мовой нитью;
• детектора – ультрачувствительного температурного сенсора (термопары
или пирометра);
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 69
• ИК-фильтра (4,26 мкм), расположенного между источником узкополос-
ного излучения и детектором (вместо фильтра может применяться одноволно-
вый источник излучения – лазер с фиксированной или подстраиваемой длин-
ной волны, но подобного рода решения до настоящего времени были довольно
дороги с финансовой точки зрения);
• оптической камеры, которая не пропускает внешний свет и через кото-
рую проходит газ и ИК-излучение.
Чем больше молекул СО2 находится в камере, тем больше ИК-излучения по-
глощается и тем ниже температура детектора. Главным фактором, влияющим на
эффективность системы, является оптическая эффективность. Также особое
внимание уделяется разработке сложного программного обеспечения и допол-
нительной электроники, что сможет обеспечить четкость и стабильность показа-
ний датчика на длительный период. Интенсивность света немного изменяется
из-за ухудшения характеристик оптической системы и вследствие старения нити
накаливания, а также колебаний напряжения. В результате это может вызвать
значительное расширение диапазона погрешности датчика. Существует несколь-
ко разных способов компенсации данных проблем. В некоторых конструкциях
системы используют две импульсные лампы, установленные на разных расстоя-
ниях от детектора, что позволяет поглощать разное количество СО2. Программ-
ное обеспечение в свою очередь контролирует и реагирует на изменение уров-
ней сигналов, получаемых от двух ламп. Также возможны системы с использо-
ванием одной лампы и двух детекторов, последние оснащены фильтрами для
разной длинны волны, которые устанавливаются перед ними. Другая популяр-
ная технология компенсации погрешностей датчика заключается в использова-
нии программно-реализованного алгоритма. Такая система будет успешно рабо-
тать, однако в модели следует учесть изменение чувствительности, что зачастую
является источником реальных проблем эталонирования (сравнения с эталоном).
ИК-сенсоры могут измерять и множество других газов. Такие детекторы −
основной компонент большинства лабораторных спектрометров. Моноксид уг-
лерода СО, с другой стороны, труднее определить ИК-сенсором, так как это бо-
лее слабый абсорбент ИК-излучения и находится в окружающей среде в намно-
го меньших концентрациях. Согласно европейским нормам стандартов регла-
ментирующих контроль уровня концентрации окиси углерода в частных домах,
пороговый уровень содержания СО должен составлять 70 ppm.
Характерные признаки CО в области ИК-спектра представлены в виде двух-
вершинной кривой с центром в 4,75 мкм и расположены рядом с полосами по-
глощения СО2 и водяного пара. Это означает, что значительный уровень концен-
трации СО2 или влажности может повлиять на считывание данных СО. Более
того, алгоритм обработки сигналов, основанный на изменении исходного уровня
концентрации, который используется в случае с СО2, не применим к СО. Также
как и в случае с СО, в ИК-датчиках для контроля должен использоваться другой
источник ИК-излучения, а не вольфрамовая стеклянная лампа.
Преимущество оптических газоанализаторов по сравнению с иными типами
(электрохимическими, термокаталитическими, полупроводниковыми) заключа-
С.И. ЛУКАШ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 70
ется, прежде всего, в отсутствии контакта между загазованной атмосферой и из-
мерительными элементами: сквозь газовую пробу проходит лишь луч света, а из-
лучатель и фотоприёмник защищены прозрачными окнами из химически стойко-
го стекла.
Высокая чувствительность и селективность анализа отдельных газообраз-
ных компонентов выдыхаемого воздуха: от одной до тысячи молекул на милли-
ард – обеспечивается методами диодной лазерной спектроскопии [12].
Исследователи из Института общей физики РАН разработали систему, по-
зволяющую описать состояние нашего организма по выдыхаемому воздуху. Раз-
работчики использовали тот факт, что состав выдыхаемого воздуха и темп вы-
деления молекул из организма напрямую связаны с биохимическими и фи-
зиологическими процессами. Например, по содержанию монооксида и двуоки-
си углерода (СО и СО2) в выдыхаемом воздухе можно судить о кислород-
транспортных свойствах гемоглобина крови. А одновременное детектирование
монооксида углерода и закиси азота (N2O) позволяет исследовать зависимость
газотранспортных свойств лёгочной мембраны от интенсивности кровотока [13].
Диодные лазеры, используемые в качестве источника перестраиваемого мо-
нохроматического излучения, перекрывают широкую спектральную область, где
расположены линии поглощения многочисленных молекул. При небольшой
мощности излучения (~1 мВт) лазеры данного типа обладают узкой линией
(∆ν/ν < 10-7) и широкодиапазонной перестройкой частоты генерации. Это позво-
ляет с высокой точностью измерять параметры отдельных линий поглощения,
принадлежащих колебательно-вращательным спектрам газообразных молекул, и
измерять концентрацию исследуемых веществ. Миниатюрность диодных лазе-
ров облегчает их интегрирование в многокомпонентные аналитические системы,
в том числе с применением инфракрасной волоконной оптики.
Методами диодной лазерной спектроскопии в выдыхаемом человеком воз-
духе можно детектировать достаточно легкие газообразные молекулы-метабо-
литы типа СО, CO2, NO, NO2, N2O, NН3, H2O, H2O2, C2H4, C2H6, CH2O, CH4,
СН3ОН, С2Н5ОН, CS2, H2S, C5H12 и другие в диапазоне концентраций от
0,1 мкг/м3 до 10 мг/м3, что лежат в диапазоне примерно 100 ppb — 10 ppm, про-
водить высокоточную регистрацию изотопомеров этих молекул, содержащих
такие стабильные нуклеотиды, как D, 13С, 18O, 15N и 35S; осуществлять долговре-
менный мониторинг содержания вышеперечисленных соединений, а также ис-
следовать динамику их содержания в режиме реального времени (без накопле-
ния или обогащения анализируемой газовой смеси); изучать газообмен у малых
лабораторных животных и растений, применять для неинвазивной диагностики
инфицированности желудочно-кишечного тракта бактерией Н. pylori.
Современные приборы имеют процессор, встроенную флэш-память, в кото-
рой хранятся градуировочные коэффициенты, параметры наладки, калибровки
и устройство отображения результата.
Программное обеспечение для встроенного микропроцессора включает в
себя команды управления прибором, проверки его работоспособности, калиб-
ровки и обработки результатов показаний датчиков.
ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НЕКОТОРЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 71
Вывод. Оценивая литературные данные по применению различных методов
высокочувствительного детектирования газообразных молекул-биомаркеров в
выдыхаемом воздухе, можно сделать вывод, что инструментальный анализ сле-
дов газообразных соединений в выдыхаемом воздухе является актуальным и
перспективным подходом для развития новых методов исследований и диагно-
стики в биомедицине. Его объектами могут быть относительно легкие и простые
молекулы-биомаркеры, закономерности образования и выделения которых дос-
таточно четко связаны с нормальными и патологическими процессами, проте-
кающими в организме.
Для диагностики паров алкоголя в быту вполне бывает достаточно и полу-
проводниковых одиночных сенсоров с хорошо изученными и технологичными
слоями SnO2 для паров ацетона более эффективно применение матрицы сенсо-
ров с программной обработкой сигналов в устройствах типа «электронный нос»
[14]. Хорошо известны проблемы полупроводниковых сенсоров: чувствитель-
ность, селективность, стабильность и чувствительность к влажности. Но совре-
менные методы обработки сигналов матрицы сенсоров по определенному алго-
ритму и относительно низкая себестоимость устройств позволяют использовать
ПС в проблемно-ориентированных приборах для решения конкретных и част-
ных задач.
1. Лабори А. Регуляция обменных процессов. – М.: Медицина, 1970. – 249 с.
2. Лазерный спектральный анализ молекул-биомаркеров для медицинской диагностики /
Под ред. Е.В. Степанова. – М.: Наука, 2005. – 279 с.
3. http://www.rusmedserver.ru/med/narodn/legkie/3.html]:
4. Fawcett T.A., Moon R.E., Fracizza P.J., Mebane G.Y., Theil D.R., Piantadosi C.A.
Warehouse workers' headache. Carbon monoxide poisoning from propane-fueled forklifts //
J. Occup Med. – 1992. – 3. – N 1. – 50 с.
5. Марков Х.М. Оксид азота и оксид углерода – новый класс сигнальных молекул // Успехи
физиологических наук. – 1996. – № 4. – С. 30 – 43.
6. http://www.rusanesth.com/Genan/006.htm
7. Определение алкоголя в выдыхаемом воздухе.
http://www.lawru.info/legal2/ se18/ pravo18946/ index.htm
8. Другов Ю.С., Березкин В.Г. Газохроматический анализ загрязненного воздуха. – М.: Хи-
мия, 1981. – 256 с.
9. Долгополов Н.В., Яблоков М.Ю. Наносенсорная нейроподобная система "электронный
нос". – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2008. – № 1. – С. 60 – 65.
10. Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры. – Киев: Изд-во ИК НАН
Украины, 2007. – 513 с.
11. Кабацій В.М. Інфрачервоний газоаналізатор. Опис до патента України № 80639 від
10.10.2007.
12. Конов В.И., Осико В.В., Щербаков И.А. Фундаментальные достижения оптики и лазерной
физики для медицины // Вестник РАН. – 2004. – 74. – № 2. – С. 3 – 21.
13. http://www.sunhome.ru/journal/114473
14. Лукаш С.И., Колесницкий О.К., Войтович И.Д. Техника и технология анализа объектов
для экологической и медицинской диагностики по запаху // Комп’ютерні засоби, мережі
та системи. – 2006. – № 5. – С. 141 – 148.
Получено 18.08.2010
http://www.rusmedserver.ru/med/narodn/legkie/3.html�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Fawcett%20TA%22%5BAuthor%5D�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Moon%20RE%22%5BAuthor%5D�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Fracica%20PJ%22%5BAuthor%5D�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Mebane%20GY%22%5BAuthor%5D�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Theil%20DR%22%5BAuthor%5D�
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=%22Piantadosi%20CA%22%5BAuthor%5D�
javascript:AL_get(this,%20'jour',%20'J%20Occup%20Med.');�
http://www.rusanesth.com/Genan/006.htm�
http://www.lawru.info/legal2/%20se18/%20pravo18946/%20index.htm�
http://www.sunhome.ru/journal/114473�
Таблица 2. Диапазон концентрационных измерений датчиков
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46391 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:31:03Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукаш, С.И. 2013-06-29T18:42:38Z 2013-06-29T18:42:38Z 2010 Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху / С.И. Лукаш // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 62-71. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46391 681.3: 591.3 Рассмотрены методы анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие маркерных газов и обсуждаются пути аппаратного решения проблемы. Розглянуто методи аналізу повітря, що видихає людина, на вміст маркерних газів та обговорюються шляхи апаратного вирішення проблеми. An overview of the methods of high sensitive gas analysis of the molecular biomarkers in exhaled air is presented. A specific of the exhaled air chemical content studies at the level of micro concentrations as well as general demands to the applied instrumental approach are discussed. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху Problems of diagnostics of some diseases on exhaled air Article published earlier |
| spellingShingle | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху Лукаш, С.И. |
| title | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| title_alt | Problems of diagnostics of some diseases on exhaled air |
| title_full | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| title_fullStr | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| title_full_unstemmed | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| title_short | Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| title_sort | проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46391 |
| work_keys_str_mv | AT lukašsi problemydiagnostikinekotoryhzabolevaniipovydyhaemomuvozduhu AT lukašsi problemsofdiagnosticsofsomediseasesonexhaledair |