Многокомпонентный лазерный спектрометр LaserBreeze
для медицинских применений

Спектрометр для анализа газовых биомаркеров

Описание

Стационарный спектрометр LaserBreeze предназначен для измерения концентрации летучих метаболитов в выдыхаемом пациентами воздухе для диагностики бронхо-лёгочных заболеваний.

Лазерный спектрометр LaserBreeze разработан в рамках выполнения государственного контракта по Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы".
Принцип работы спектрометра LaserBreeze основан на использовании параметрического генератора света в качестве источника излучения и методе оптико-акустической спектроскопии. Метод оптико-акустической спектроскопии основан на оптико-акустическом (ОА) эффекте, открытом А.Г. Беллом в 1880 году. Сам эффект заключается в возникновении акустических колебаний в газе под воздействием модулированного на звуковой частоте электромагнитного излучения в спектральном диапазоне длин волн ‒ от ультрафиолетового до инфракрасного и соответствующего линиям поглощения газа. Применение оптико-акустического эффекта для анализа газовых смесей характеризуется простотой, надёжностью, высокой селективностью и возможностью быстрого получения результатов измерений. Кроме того, метод обеспечивает широкий динамический диапазон чувствительности, позволяющий детектировать в пробе газы с концентрациями, значения которых могут различаться в десятки тысяч раз.
Разработанный спектрометр включает в себя источник излучения, оптико-акустический детектор (ОАД) с устройством доставки пробы и электронный блок управления. Источником излучения служит разработанный ООО "Специальные технологии" параметрический генератор света с перестройкой длины волны от 2,5 до 10,7 мкм с накачкой Nd:YLF-лазером на длине волны 1,053 мкм. Регистрация спектров поглощения биомаркеров проводится при помощи резонансного ОАД, в состав которого входит опорная ячейка, содержащая смесь специально подобранных эталонных газов, таких как C3H6O, CH4, N2O, CF4 и SF6. Опорная ячейка используется при обработке результатов измерений в процессе исследования реальной газовой пробы для спектральной привязки линий поглощения биомаркеров относительно линий поглощения эталонных газов. Устройство доставки пробы обеспечивает измерение температуры, влажности и давления взятой пробы, доставки её в ОАД для анализа, а также прокачку газового тракта спектрометра чистым воздухом после проведения анализа. Электронный блок управления осуществляет обработку измеренных с ОАД сигналов, управление исполнительными механизмами и вывод информации на монитор ПК. Сигнал с пиродетектора используется для контроля мощности оптического излучения, поступающего в ОАД, что впоследствии учитывается при окончательной обработке результатов измерений.
Спектрометр LaserBreeze позволяет проводить три вида измерений:
• запись спектра поглощения анализируемой пробы во всём спектральном диапазоне для последующей обработки полученных данных статистическими методами, например методом главных компонент. Данный метод позволяет определить скрытые закономерности в больших массивах данных и, применительно к диагностике, качественно разделить исследуемых пациентов на группы с различными заболеваниями;
• измерение концентраций набора газов в пробе для детального анализа состояния пациента с целью уточнения диагноза;
• непрерывный мониторинг концентрации одного вещества в реальном времени для отслеживания динамики изменения состояния пациента при проводимой терапии, особенно с применением сильнодействующих препаратов.

Применения LaserBreeze:
— для газоанализа в медицине: анализ выдыхаемого воздуха, испарений с кожи;
— для медицинских исследований: скрининг, лабораторный анализ, оценка эффективности лечения.

На сегодняшний день разработанный спектрометр LaserBreeze представляет собой платформу для научных исследований, на основе которой можно оперативно создать специализированные приборы под конкретные задачи.

Технические характеристики

Параметр Значение
Источник излучения параметрический генератор света
Рабочий диапазон длин волн 2,6 — 10,6 мкм
Концентрационная чувствительность
детектирования, не хуже
1×10-3 млн-1
Количество детектируемых веществ,
не менее
20
Относительная погрешность измерения
концентрации биомаркеров, не более
30 %
Достоверность и селективность определения
биомаркеров, не менее
95 %
Объем анализируемой газовой пробы для регистрации
состава и концентрации биомаркеров,
не более
50 см3
Время регистрации одного биомаркера в пробе, не более 3 с
Время регистрации 10 биомаркеров в пробе,
не более
2 мин
Габаритные размеры (В×Ш×Г), не более 280 × 590 × 690 мм
Масса, не более 47 кг

Kistenev Yu.V., Borisov A.V., Kuzmin D.A., Penkova O.V., Kostyukova N.Yu., Karapuzikov A.A. Exhaled air analysis using wideband wave number tuning range infrared laser photoacoustic spectroscopy // J. Biomed. Opt. - 2017. - 22 (1). - 017002
DOI:10.1117/1.JBO.22.1.017002

Kistenev Y.V., Borisov A.V., Kuzmin D. A., Bulanova A. A., Boyko A. A., Kostyukova N. Y., Karapuzikov A. A. Breath air measurement using wide-band frequency tuning IR laser photo-acoustic spectroscopy // Proc. SPIE 9707, Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics XIII, 97070M (March 17, 2016)
DOI:10.1117/12.2214645

Kistenev Y. V., Karapuzikov A. I., Kostyukova N. Yu., Starikova M. K., Boyko A. A., Bukreeva E. B., Bulanova A. A., Kolker D. B., Kuzmin D. A., Zenov K. G., Karapuzikov A. A. Screening of patients with bronchopulmonary diseases using methods of infrared laser photoacoustic spectroscopy and principal component analysis // J. Biomed. Opt. - 2015. - Vol. 20(6). - P. 065001.
DOI:10.1117/1.JBO.20.6.065001

Zenov K. G., Miroshnichnko I. B., Kostykova N. Yu., Kolker D. B., Kistenev Yu. V., Starikova M. K., and Mishin P. N. Gas analysis in medicine: New developments // AIP Conf. Proc. 1688, 030001-1–030001-6 (New Operational Technologies (NewOT’2015))

Старикова М., Кузнецова И., Костюкова Н. Лазерный оптико-акустический газоанализатор LaserBreeze // Фотоника. – 2015. - №3. – С. 84-93

Букреева Е.Б., Буланова А.А., Кистенев Ю.В. Возможности применения газоанализа выдыхаемого воздуха при бронхолёгочных заболеваниях // Бюллетень сибирской медицины. - 2014. – Т. 13, № 5.

Буланова А.А., Букреева Е.Б., Кистенев Ю.В. Анализ выдыхаемого воздуха как способ диагностики и мониторинга хронической обструктивной болезни лёгких // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4. - С. 189-196

Karapuzikov A.A., Sherstov I.V., Kolker D.B., Karapuzikov A.I., Kistenev Yu. V., Kuzmin D.A., Styrov M. Yu., Dukhovnikova N. Yu., Zenov K.G., Boyko A.A., Starikova M.K., Tikhonyuk I.I., Miroshnichenko I.B., Miroshnichenko M.B., Myakishev Yu. V., Loconov V.N. LaserBreeze gas analyzer for noninvasive diagnostics of air exhaled by patients // Physics wave of phenomena. - 2014. - Vol. 22, No. 3. - P. 189-196

Федоров В.И., Карапузиков А.А., Старикова М.К. Белки, пептиды и аминокислоты выдыхаемого воздуха как маркеры бронхо-лёгочных заболеваний // Бюллетень сибирской медицины. – 2013. – Т. 12, №6. – С. 167-174

Kolker D.B., Sherstov I.V., Karapuzikov A.I., Karapuzikov A.A., Boyko A.A., Starikova M.K., Dukhovnikova N.Yu., Loconov V.N., Shtyrov M.Yu., Miroshnichenko I.B., Zenov K.G., Miroshnichenko M.B. PAD spectrometer based on wide tunable optical parametric oscillator for noninvasive medical diagnostics // Optics and Photonics Journal. – 2013. – Vol. 3; № 2 B. – P.43-46.

Никифорова О.Ю., Пономарев Ю.Н., Карапузиков А.И. Учет влажности пробы выдыхаемого воздуха при детектировании газов-биомаркеров // Оптика атмосферы и океана. – 2013. – Т. 26; № 4 (291). – С. 336-341.

Starikova M. K., Bulanova A. A., Bukreeva E. B., Karapuzikov A. A., Karapuzikov A. I., Kistenev Y. V., Klementyev V. M., Kolker D. B., Kuzmin D. A., Nikiforova O. Y., Ponomarev Yu. N., Sherstov I. V., Boyko A. A. Noninvasive express diagnostics of pulmonary diseases based on control of patient’s gas emission using methods of IR and terahertz laser spectroscopy // Proc. SPIE 9065, Fundamentals of Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies 2013, 906514 (November 28, 2013).
DOI: 10.1117/12.2053144

Агеев Б.Г., Кистенев Ю.В., Некрасов Е.В., Никифорова О.Ю., Никотин Е.С., Никотина Е.С., Пономарев Ю.Н., Уразова О.И., Филинюк О.В., Фокин В.А., Янова Г.В. Оценка проб выдыхаемого воздуха методом лазерной оптико-акустической спектроскопии у больных туберкулезом лёгких // Бюллетень сибирской медицины. – 2012. - №4. - С. 116-120
DOI: http://dx.doi.org/10.20538/1682-0363-2012-4-

Чуйкова К.И., Кистенев Ю.В., Гомбоева С.С. Применение газоанализа в диагностике заболеваний печени // Бюллетень сибирской медицины. – 2012. - №6. - С. 178-185

Карапузиков А.А. Разработка технологической основы методов диагностики состояния человека на основе 13С-дыхательных тестов оптико-акустическим газоанализатором с тепловым источником ИК-излучения // отчет о НИР № 16.512.11.2200 от 24.06.2011 (Министерство образования и науки РФ)

Кистенев Ю.В., Чуйкова К.И., Гомбоева С.С., Карапузиков А.А. Изучение взаимосвязи спектров поглощения газовыделений пациентов с острыми вирусными гепатитами, полученных методами лазерной оптико-акустической спектроскопии, с биохимическими показателями крови // Медицинская физика. – 2011. – № 4. – С. 32-37.