Диодный лазерный спектрометр для скрининг-диагностики компонентов выдыхаемого воздуха

Введение

В настоящее время в медицинской диагностической практике большое внимание уделяется использованию неинвазивных высокочувствительных методов оценки функционального состояния организма. Анализ состава выдыхаемого воздуха (ВВ) — это неинвазивный подход, основанный на характеристике летучего состава ВВ, который в свою очередь отражает функциональное состояние альвеол легких, кровеносной системы, процессов обмена и, следовательно, состояние метаболизма всего организма [1, 2]. Наши представления о составе ВВ основаны на знании физиологических и биохимических процессов, происходящих в организме человека (рис. 1).

Рис. 1. Схема газообразования выдыхаемого воздуха

Традиционные методы анализа газовых компонентов в ВВ включают масс-спектрометрию в сочетании с газохроматографическим разделением, электрохимические сенсоры, ультрафиолетовую хемилюминесценцию, газовую хроматографию, инфракрасную (ИК) спектроскопию и др. [3–6]. Характерной особенностью таких методов является высокая селективность отбора проб, необходимая для обнаружения микроконцентраций компонентов. Однако часть этих методов нечувствительна к изменениям азота и кислорода, паров воды и углекислого газа. Исключение влияния фоновых концентраций азота, углекислого газа — самостоятельная сложная задача. Наконец, время, необходимое для получения результатов анализа ВВ, составляет от десятков минут до 1,5 ч, при этом требуется использование дорогостоящего стационарного оборудования в специализированных лабораториях. При таких обстоятельствах сложно говорить о проведении планового массового обследования людей (скрининга). Использование методов диодной лазерной спектроскопии для диагностики заболеваний по составу ВВ — новая тенденция в медицине и биофизике [7, 8].

Первые работы в России по измерению концентрации компонентов в ВВ с использованием диодных лазеров (ДЛ) были выполнены в начале 90-х гг. в Институте общей физики РАН под руководством лауреата Нобелевской премии А.М. Прохорова. Концентрации угарного газа СО и углекислого газа СО₂ при выдохе курильщиков измеряли с использованием полупроводниковых лазеров среднего ИК-диапазона [9]. Измерение аммиака NH₃ и метана CH₄ на выдохе здоровых и больных пациентов было описано в работе [10]. Оценка изотопных соотношений атомов дейтерия и водорода D/H, изотопов кислорода ¹⁸O/¹⁶O и ¹⁷O/¹⁶O в парах воды методом лазерной абсорбционной спектроскопии при длине волны 2,73 мкм представлена в работе [11]. Особое внимание в ней уделялось обработке экспериментальных данных спектров поглощения изотопомеров воды и внедрению адаптивной фильтрации Калмана для повышения точности измерений. В исследовании [12] с помощью диодного лазерного спектроанализатора среднего ИК-диапазона проанализирован состав курительного дыма в ВВ. В работах [13, 14] проводилось измерение концентрации аммиака в ВВ в режиме реального времени с использованием квантово-каскадного лазера.

В настоящее время мировой рынок ДЛ представлен большим набором различных типов устройств, охватывающих значительный спектральный диапазон излучения: от видимого света до дальнего ИК-диапазона. Прежде всего это лазеры для работы в области оптоволоконной связи, спектроскопических исследований и газоанализа, для резки металла, а также лазеры для офтальмологии, хирургии и т.д.

Диодные лазеры ближнего ИК-диапазона представляют особый интерес для применения в медицинской диагностике. Они могут иметь размеры в несколько сантиметров и мощность излучения не более 10 мВт, что безопасно для глаз. Все необходимые лазерные компоненты (активный элемент, накачка, резонатор) находятся в одном полупроводниковом кристалле. Нанотехнологии, используемые при изготовлении ДЛ, обеспечивают высокий КПД (более 60%), одночастотный режим генерации, отсутствие технических помех, характерных для лазеров других типов, и позволяют заранее создавать источники с заданными свойствами: необходимой длиной волны излучения, зоной перестройки частоты, мощностью и шириной линии генерации и т.д. Чувствительность при измерении поглощения молекул с использованием таких ДЛ ограничивается только квантовым шумом излучения лазера и делает этот лазерный источник уникальным инструментом для спектроскопических исследований и газового анализа.

В 2015 г. был разработан прототип ДЛ-газо­анализатора (диодного лазерного спектрометра) [15], проведены первые тесты. В дальнейшем были выполнены необходимые структурные доработки, изготовлен экспериментальный образец прибора, предназначенный для неинвазивного скрининга и биомедицинских исследований. Прибор создан на основе ДЛ ближнего ИК-диапазона с волоконным выходом излучения и позволяет измерять концентрацию изотопических модификаций углекислого газа ¹²CO₂, ¹³CO₂, а также CH₄, NH₃, паров воды H₂O и сероводорода H₂S в ВВ, что обусловило его применение в качестве анализатора метаболических функций человека.

Технические особенности аппаратурного комплекса

Диодный лазерный газоанализатор состоит из трех лазерных каналов с длиной волны 1,65 мкм для CH₄; 1,60 мкм — для ¹²CO₂, ¹³CO₂, H₂S; 1,51 мкм — для NH₃, H₂O. Структурная схема отдельного лазерного канала представлена на рис. 2, б.

Рис. 2. Внешний вид (а) и структурная схема отдельного лазерного канала диодного лазерного газоанализатора (б): 1 — блок лазерного излучения; 2 — блок управления, приема и обработки данных; 3 — аналитическая кювета с оптоволоконным входом; 4 — детектор аналитического сигнала; 5 — модуль диодного лазера; 6 — волоконный разветвитель; 7 — ячейка сравнения и интерферометр Фабри–Перо; 8 — детектор сигналов сравнения; 9 — цифровой программируемый модуль; 10 — модуль преобразования (ЦАП и АЦП); 11 — конвертер аналоговых сигналов; 12 — оптоволоконный кабель

В работе использовались диодные лазерные модули производства NTT Electronics (Япония) [16]. Детекторы аналитического сигнала 4 и сигнала сравнения 8 представляют собой p-i-n-фотодиоды на основе InGaAs диаметром активной площадки 2 мм [17]. Цифровой программируемый модуль 9 и модуль ЦАП и АЦП 10 реализованы на основе платы управления NI USB-6363 (National Instruments, США). Частота дискретизации — 2,68 МГц, разрядность — 16 бит [18]. Базовая длина аналитической многопроходной кюветы Эррио — 40 см, объем — 1,8 л. Полная длина оптического пути — 26 м. Суммарные оптические потери — не более 5 дБ. Кювета оснащена датчиком давления DMP 331i (BD SENSORS, Германия) [19]. Мини-компрессор производительностью 10 л/мин используется для перекачки ВВ из образца в камеру. Технические характеристики ДЛ-газоанализатора представлены в таблице.

Технические характеристики диодного лазерного газоанализатора

Алгоритм определения концентрации компонентов выдыхаемого воздуха

Для уменьшения влияния различных типов технических вибраций, электрических шумов и для обеспечения высокой чувствительности при измерении концентрации компонентов ВВ использовали алгоритм, основанный на амплитудной модуляции тока накачки ДЛ ^[20^]. Процедура вычисления концентрации по этому алгоритму существенно лимитирует различные низкочастотные шумы в аналитическом канале, включая неселективный спектральный фон поглощения газов тяжелой органики ВВ в диапазоне частотной перестройки лазера. На стадии инсталляции прибора производится абсолютная калибровка концентраций с использованием поверочных газовых смесей исследуемых газов, дальнейшей калибровки не требуется. Время измерения пробы ВВ составляет менее 30 с [21].

Для иллюстрации возможностей применения разработанной установки приводим данные исследований, выполненных в Го­родской клинической больнице №12 им. В.М. Буя­нова Департамента здравоохранения Москвы и Центральной клинической больнице РАН. Изучение и измерение компонентов ¹²CO₂, ¹³CO₂, CH₄, NH₃, H₂O и H₂S в ВВ выполнено у 152 обследуемых (22 здоровых добровольца в возрасте 19–31 года и 130 пациентов в возрасте 19–78 лет (мужчины — 75 человек, женщины — 55 человек) с различными заболеваниями внутренних органов, в удовлетворительном состоянии, без признаков декомпенсации хронических патологий [22].

Исследование проведено в соответствии с Хель­синкской декларацией (2013) и одобрено этическими комитетами Городской клинической больницы №12 им. В.М. Буянова Департамента здравоохранения Москвы и Центральной клинической больницы РАН. От каждого пациента получено информированное согласие.

Динамическая оценка функционального состояния обследуемых контролировалась общепринятыми методами, применяемыми в клинических и физиологических исследованиях: измерение АД, ЧСС, частоты дыхания и т.д. Сформированы 4 группы (рис. 3). Для исследования использован дыхательный тест с карбамидом — с учетом его разложения на NH₃ и CO₂ под воздействием уреазы.

Рис. 3. Дыхательный тест с карбамидом. Изменение в выдыхаемом воздухе: а — концентрации CO2; б — концентрации CH4

На рис. 3, а показана динамика содержания CO₂ в ВВ в течение часа после приема стандартной дозы карбамида (500 мг). Установлено, что наиболее значимые изменения концентрации СО₂ проявляются у пациентов с субкомпенсированным циррозом печени по сравнению с другими обследованными. По всей вероятности, это связано с нарушением обмена веществ у этих больных.

Изменения концентрации СН₄ в ВВ у пациентов с различными патологиями при проведении теста с карбамидом в динамике — через 10, 30 и 55 мин после перорального приема — приведены на рис. 3, б. Видно, что содержание СН₄ в ВВ различно в зависимости от характера патологического процесса.

Концентрация NH₃ в ВВ в динамике при разных патологиях представлена на рис. 4.

Рис. 4. Изменение концентрации NH3

Приведенные графические характеристики исследуемых газообразных компонентов ВВ, изменяющиеся под влиянием аммиака или карбамида, показывают возможность выявления их динамики в зависимости от наличия патологического состояния желудочно-кишечного тракта, что может иметь важное дифференциально-диагностическое значение. Метод диодно-лазерной спектроскопии с использованием представленного экспериментального устройства, который позволяет оценивать динамику компонентов, результативен, не инвазивен и безопасен для широкого применения в клинико-функциональных исследованиях. Каких-либо побочных эффектов у пациентов в ходе исследования не отмечено.

Заключение

Экспериментальный образец диодного лазерного спектрометра для неинвазивного скрининга и биомедицинских исследований на основе диодного лазера ближнего инфракрасного диапазона позволяет измерять концентрацию следующих компонентов выдыхаемого воздуха: ¹²CO₂, ¹³CO₂, CH₄, NH₃, H₂O и H₂S. Прибор дает возможность анализировать в динамике целый спектр выдыхаемых метаболитов в покое и особенно — при различных тестирующих воздействиях, указывающих на нарушения обмена веществ. Исследования, проведенные с его помощью, не инвазивны, воспроизводимы, существенно ускоряют время обследования, так как выполняются в режиме онлайн. Все это позволяет считать представленный газоанализатор перспективным при скрининговых и клинико-функциональных исследованиях.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследование не финансировалось какими-либо источниками, и конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.