Використання технології дослідження експіраторного повітря в онкології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Використання технології дослідження експіраторного повітря в онкології

Зубчук В.І.

Якімчук В.С.

Шатохіна К.С.

Постановка проблеми. Легеневі захворювання, зокрема, легенева онкологія, є однією з найактуальніших проблем сучасності. Тому важливим є створення методу експрес-діагностики стану людини, який дозволить запобігти розвитку патологічної форми хвороби. Останнім часом набуває розповсюдження вивчення газообміну людини, в тому числі аналізу хімічного складу повітря, що видихається, для діагностики функціонального стану організму. Встановлено, що в експіраторному повітрі міститься більше 600 летких і нелетких сполук. Близько 20-ти з них найбільш чутливі до зміни функціонального здоров'я і вже сьогодні можуть бути природними біомаркерами деяких захворювань. Разом з тим, наявність цих сполук важко визначити не в лабораторних умовах.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Найбільша діагностична значимість аналізу експіраторного повітря відзначена при захворюваннях органів дихання. При деяких нозологічних формах аналіз експіраторного повітря дозволяє виявити патологію на тій стадії розвитку, коли інші методи діагностики малочутливі та неінформативні. З фізичної точки зору експіраторне повітря являє собою аерозоль, що складається з газоподібного середовища і зважених в ній рідких частинок [1]. Водяна пара служить переносниками багатьох летучих і нелетучих сполук за допомогою розчинення молекул (відповідно до коефіцієнтів розчинення) і утворення нових хімічних речовин у середині аерозольної частинки [2].

Таким чином, діагностичні можливості дослідження експіраторного повітря базуються на гіпотезі, що зміни концентрації хімічних речовин в експіраторному повітрі, сироватці крові, легеневої тканини і бронхоальвеолярної рідини однонаправлені [3].

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Враховуючи важливість діагностування патології легень, на даний час існує дуже мало методів визначення хвороби на ранніх стадіях. Але більшість засобів діагностики є інвазійними, що накладає додатковий фактор небезпеки. Серед них: небезпека інфікування, нездатність виявити патологію на ранніх стадіях та велика вартість обстеження.

Рішенням може стати неінвазивна технологія обстеження на засадах аналізу експіраторного повітря. Така система повинна відповідати набору певних вимог, таких як: швидкодія, об'єктивність, оперативність, дешевизна, висока чутливість і відсутність впливу на обстежуваного. Саме такий набор характеристик притаманний пристроям типу «Електронний ніс».

Формулювання цілей статті. Головна мета даної роботи -- розглянути роботу ПАК з використанням газочутливих сенсорів, описати і довести роботу методології виявлення онкологічної патології на засадах аналізу метаболічних параметрів обстежуваних.

Виклад основного матеріалу. Визначення складу експіраторного повітря відноситься до числа найбільш складних аналітичних задач. Можливості методів, застосовуваних для аналітичних досліджень, обумовлені сукупністю цілого ряду характеристик. Найбільш важливими з них є концентраційна чутливість, точність і швидкість аналізу, які в основному визначаються використанням фізичного принципу детектування речовини. Крім того, суттєвими є необхідний для аналізу об'єм газової проби, селективність аналізу, необхідність попереднього збагачення і розділення, специфіка відбору проби, необхідність не руйнування об'єкта в процесі аналізу.

У зв'язку з цим, лише деякі фізико-хімічні методи визначення концентрації газоподібних речовин знайшли застосування в цій галузі досліджень. Серед них газова хроматографія, мас-спектрометрія, поєднана з газохроматографічним розподілом, УФ-хемолюмінесценція і ІЧ-спектроскопія, електрохімічні сенсори. Останні застосовуються для реєстрації неорганічних газоподібних сполук типу O₂, CO, CO₂, NO, NO₂, H₂S, SO₂, HCN, HCl, Cl₂ і використовуються для досліджень, що вимагають компактності та автономного живлення. Саме цей тип датчиків застосовується у селективному газоаналізаторі, що був розроблений у КПІ ім. Ігоря Сікорського.

Селективний газоаналізатор типу «Електронний ніс» (ЕН) -- це мультисенсорна система розпізнавання компонентів газових сумішей, які знаходяться у повітрі, що видихається людиною.

Він реєструє концентрації газових компонентів експіраторного повітря, відображає динаміку змін сигналів у режимі реального часу і зберігає всю інформацію в базі даних [4]. В загальному вигляді селективний газоаналізатор (рис. 1) є програмно-апаратним комплексом [5].

Рис. 1. Загальний вигляд ПАК: 1. Контейнер з пробою (повітря людини, що вдихається або видихається); 2. Вологопоглинач, розроблений спеціально для цього набору датчиків (один з хімічних сенсорів негативно реагує на вологу/конденсат, який збирається в результаті забору проби); 3. Набір селективних сенсорів; 4. Пробовідбірник - в середині знаходиться поршень, за допомогою якого забирається проба для аналізу; 5. Блок вимірювальних підсилювачів сигналів дво- і трьохелектродних сенсорів; 6. Аналого-цифровий перетворювач; 7. Персональний комп'ютер з програмою візуалізації сигналів датчиків і базою даних. Джерело: [6]

На функціональній схемі (рис. 2) відображений набір селективних сенсорів (С1...Сп), що через підсилювачі (П1...Пп), програмно керований аналоговий мультиплексор і аналого-цифровий перетворювач (АЦП) підключаються до комп'ютера для реєстрації та відображення результатів вимірювання, формування бази даних з результатів вимірів і супровідної інформації.

Рис. 2. Функціональна схема селективного газоаналізатора. Джерело: [6]

Використані у пристрої сенсори розроблені на кафедрі технології електрохімічних виробництв хіміко-технологічного факультету КПІ ім. І. Сікорського. В їх основі лежить електрохімічна система із твердим протон провідним і матричним електролітами [7]. Сенсори характеризуються малим часом відгуку (від 10 до 40 секунд) та високою роздільною здатністю. Чутливість таких сенсорів істотно відрізняється для різних типів газів і має порядок К = (0.001...1) мкА/ppm.

При цьому у характеристиках сенсорів відзначається існування деякого фонового струму І_ф при нульовій концентрації відповідного газового компонента в пробі, причому фоновий струм Іф залежить від температури навколишнього середовища, вологості і змінюється в процесі старіння сенсора. У зв'язку з цим на електронний підсилювач, що використовуються у ПАК, накладаються певні вимоги.

Оскільки фоновий струм сенсора вносить методологічну похибку досліджень, при вимірюванні асимптотичного значення струму сенсора використовується метод обчислення I_x без впливу фонового струму Іф [7]. А саме: вимірювання і реєстрація процесу зміни струму сенсора у часі відбувається згідно виразу (1):

I(t)= Іх - (Ix - Іф)ехр (-t/Ts), (1)

де T_s - стала, яка визначає швидкість реагування s-го сенсора на відповідний газовий компонент.

При наявності хоча б двох значень струму І1, І2 у моменти часу t1, t2 асимптотичний показник сенсору може бути визначений за допомогою виразу (2):

Таким чином, величина І_х не залежить від фонового струму Іф. Завдяки цьому пристрій ЕН може працювати в умовах зміни параметрів оточуючого середовища, не потребує попереднього калібрування та компенсаційних налаштувань підсилювачів.

Обчислення значення І_х реалізовано у середовищі LabVIEW. Створене програмне забезпечення в середовищі графічного програмування LabView дозволяє автоматизувати збір експериментальних даних, які надходять від газоаналітичного ПАК [8]. Таким чином, зняті виміри надходять до комп'ютера дослідника та після введення додаткової інформації фіксуються в розробленій базі даних, дотримуючись цілісності, доступності й достовірності збереженої інформації.

Описана методика апробована на 2 групах досліджуваних: група пацієнтів з Національного інституту раку з патологією легень, яка склала 20 осіб та контрольної групи - 11 осіб з КПІ ім. Ігоря Сікорського.

Відбір проб експіраторного повітря відбувався у кабінеті первинного обстеження пацієнтів на базі Національного інститут раку. Для дослідження відбиралися пацієнти з патологією легень (4 пацієнта - із підтвердженим діагнозом «рак легень», 14 пацієнтів - із попереднім діагнозом «рак легень», 2 пацієнта - рак молочної залози із метастазами у легенях). Після загального обстеження, досліджуваним було запропоновано видихнути повітря у пакет через гумову трубку. Повітря, що видихнули пацієнти, є пробою для подальшого аналізу. Надалі пакет з пробою приєднувався до пробовідбірника ПАК.

При закачуванні до пробовідбірника повітря проходило через набір селективних сенсорів: O2, NH₃, CO₂, NO, NO₂, H₂S, HF. У системі протягом 60 секунд проводився аналіз проби, після чого відгуки сенсорів записувались до бази даних. Також до бази даних реєструвалась наступна інформація: стать, вік, вага, наявність симптомів, наявність інших хвороб.

Отримані експериментальні дані були оброблені в пакеті IBM SPSS Statistics 22.0. Після аналізу даних на нормальність розподілу, шукали кореляцію між показниками повітря, що видихається, у відібраних групах пацієнтів. Обробка даних проведена за допомогою критерію Стьюдента. Результати представлені у табл. 1.

Таблиця 1. Порівняння рівнів експіраторного повітря пацієнтів в групах «Здорові» і «Хворі»

Джерело: розробка авторами

У графі «Показник» представлені 7 датчиків амперометричного типу, які використовувались для аналізу експіраторного повітря: O₂, NH₃, CO₂, NO, NO₂, H₂S, HF. Середнє -- це середні значення сигналу датчика по групі. По значущості розрахована різниця відгуків сенсорів.

За результатом використання критерію Стьюдента підтверджується нульова гіпотеза про існування відмінностей між пробами експіраторного повітря для хворих і здорових пацієнтів для наступних датчиків CO₂ (р=0,002), NO (р=0,002), HF (р=0), що підтверджує можливість виявлення онкологічних захворювань легень за даними аналізу експіраторного повітря обстежуваних.

Висновки і пропозиції. Леткі і нелеткі сполуки, що містяться в експіраторному повітрі, можуть стати природніми біомаркерами більшості хвороб, враховуючи і легеневу онкологію. Тому неінвазивне дослідження на основі газочутливих сенсорів може стати перспективним методом діагностики легеневих патологій. Однією з таких систем є пристрій типу «Електронний ніс», який складається з набору селективних амперометричних сенсорів: O2, NH3, CO2, NO, NO2, H2S, HF.

Дослідження проводились на 2 групах: група пацієнтів Національного інститут раку з легеневими патологіями (рак легень) та контрольна група з КПІ ім. Ігоря Сікорського, середній вік досліджуваних складає 53-60 років. Після статистичної обробки була підтверджена гіпотеза про існування відмінності між хворими і здоровими особами для деяких газових компонентів експіраторного повітря людини (CO2, NO, HF).

Список літератури

експіраторний повітря газочутливий сенсор

1. Mc. Fadden E.R. Respiratory heat and water exchange: physiologycal and clinical implications / E.R. Mc. Fadden // J. Appl. Physiol. - 1983. - № 54. - P. 326-331.

2. Климанов И.А. Механизмы формирования конденсата выдыхаемого воздуха и маркеры оксидативного стресса при патологиях респираторного тракта / И.А. Климанов // Пульмонология. - 2009. - № 2. - С. 113-119.

3. Dweik R. Exhaled breath analysis: the new frontier in medical testing / R. Dweik, A. Amann // J. Breath Res. - 2008. - № 2; doi: 10.1088/1752-7163/2/3/030301.

4. Якимчук В.С. Диагностика состояния больных с сердечнососудистыми заболеваниями с помощью показателей газообмена / Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. - № 1/9(61). - С. 44-48.

5. Щербакова Н.В. Анализ газового состава выдыхаемого воздуха в диагностике заболеваний / Н.В. Щербакова, П.В. Начаров, Ю.К. Янов // Российская отоларингология. - 2005. - № 4(17). - С. 126-132. - http://scholar. google.com/scholar_host?q=info:178WcfHgA20J

6. Зубчук В.І. Програмно-апаратний комплекс експрес-діагностики на засадах електрохімічних сенсорів / В.І. Зубчук, А.В. Кратік, В.С. Якімчук // Научно-практ. журнал «Биомедициская инженерия». - 2011. - № 1. - С. 44-49.

7. Чвірук В.П. Електрохімічний моніторінг техногенних середовищ / В.П. Чвірук, С.Г. Поляков, Ю.С. Герасименко. - К: Академперіодика, 2007. - С. 242-245.

8. Якімчук В.С. Концепція методу функціональної діагностики для оцінки стану серцево-судинної системи / Системи обробки інформації. - 2012. - № 8(106). - С. 162-165.

Размещено на Allbest.ru