МИКРОПЛАЗМЕННЫЙ СЕНСОР ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ

Одной из задач общественного здоровья и здравоохранения как науки является разработка методов исследования, изучения и оценки состояния здоровья населения.

Противоречия между научно-техническим прогрессом и состоянием здоровья общества возникают вследствие недооценки профилактических мер. Следовательно, также среди задач науки общественного здоровья и здравоохранения – вскрытие таких противоречий и разработка рекомендаций по профилактике негативных явлений и факторов, которые отрицательно влияют на здоровье общества [2].

Таким образом, актуальной становится идея постоянного мониторинга физиологического состояния человека, который может быть рассмотрен как новый метод исследования состояния здоровья населения в целом.

Известно, что по дыханию человека можно обнаружить признаки массы заболеваний. Например, рак лёгких, рак молочной железы, туберкулёз, болезни почек, диабет и другие. Кроме того, с помощью «дыхательных» тестов можно выявить проблемы с пересаженным сердцем. Запах ацетона изо рта связан с диабетом, по выделению аммиака можно диагностировать наличие бактерий helicobacter, вызывающих гастриты и язвы всех отделов пищеварительного тракта, «аромат» плесени связан с болезнью печени, запах мочи с отказом почек, а «тяжелый запах изо рта» - с проблемами лёгких [4].

Решение задачи непрерывного мониторинга состояния здоровья человека, путем детектирования био- маркерных молекул, позволит достичь следующих результатов:

– непрерывный контроль метаболизма человека с самых ранних лет;

– раннее обнаружение различных заболеваний, признаками которых являются определенные летучие био- маркерные молекулы, выделяющиеся при дыхании и через кожу;

– изучение влияния лекарств на каждого конкретного пациента с целью минимизации побочных эффектов;

– упрощение процесса диагностики истории болезни пациентов,

– оценка состояния здоровья населения путем обработки статистических данных, получаемых с помощью сенсора.

Эти задачи способен решить, разработанный нами, микроплазменный сенсор CES, являющийся индивидуальным газоанализатором постоянного ношения, производящий мониторинг физиологического состояния человека по био-маркерным молекулам в продуктах газообмена при дыхании и через кожу.

Для того, чтобы обосновать необходимость использования микроплазменного сенсора CES, сравним его с другими промышленными приборами, работа которых основана на иных методах анализа атомарного и молекулярного состава (Табл.1).

К сожалению, у этих методов существуют и недостатки. Устройства для электронной спектроскопии (ЭС) работают только в условиях высокого вакуума. Это необходимое условие сохранения импульса частиц по всей траектории их движения. Дополнительной технической и методической проблемой является ввод атомов или молекул образца, как правило, находящегося при атмосферном давлении, в область анализатора, где необходимо поддерживать высокий вакуум.

Таблица 1  

Сравнение характеристик газоанализаторов

Эти обстоятельства приводят к увеличению веса, габаритов, энергопотребления и технической сложности традиционных средств определения состава газовых смесей, что не позволяет решить целый ряд важных аналитических задач, стоящих перед современной наукой и техникой.

Для решения поставленной задачи предлагается новая разработка школы плазменных исследований Горного университета. Это микроплазменный сенсор CES с размерами в несколько кубических сантиметров (10*10*1 см, зазор между двумя плоскими электродами при атмосферном давлении ~ 0,1 мм) и достаточной точностью (~ 1 ppm), с помощью которого можно определить примеси в буферном инертном газе, жидкости или твердом теле.

Основным отличием сенсора от газоанализаторов предыдущего поколения является метод измерения. Принцип измерения импульса, критически чувствительного к рассеянию на остаточных газах в анализаторе, заменен на непосредственное измерение энергии частиц с использованием потенциальной природы электрического поля.

Экспериментальная блок-схема анализатора приведена на Рисунке 1а. Макет сенсора приведен на Рисунке 1б.

Группой плазменных исследований Горного университета были получены спектры энергии электронов (Рисунок 2б) в смеси He + 0,3% Xe при давлении 10 Торр, расстояние между электродами – 5 мм, время задержки измерения ВАХ после обрыва разряда – 150 мкс [3]. Пик в области 4 эВ вызван ионизацией водорода и углеводородов, выделяющихся из электродов под действием плазмы, пик в области 8 эВ соответствует ионизации атомов ксенона метастабильными атомами гелия.

Широкий спектр детектируемых веществ служит доказательством актуальности и состоятельности метода на предмет его применения в медицине. Детектирование более сложных молекул биологического происхождения (включая белки и нуклеиновые кислоты) также сможет расширить возможности метода.

Принципиально новой задачей может стать создание  методики по моделированию строения вирусов. Знание структуры вирусов, вызывающих эпидемии, позволяет моделировать их энергетические спектры и применять сенсор для их экспресс обнаружения, например, вируса Эболы (сейчас эта работа ведется методом численного моделирования). Эта разработка позволит диагностировать заболевание на ранних стадиях до проявления характерных симптомов у человека.

Постоянный анализ «газовых историй жизни» позволит получать медицинский прогноз для каждого человека. Эти данные могут стать индивидуализированной информационной основой предупредительной медицины будущего.

Также предполагается,  что данные мониторинга  будут автоматически передаваться,  храниться и обрабатываться на медицинских серверах в «интернет-облаках», что позволит не только оперативно отслеживать состояние здоровья каждого человека в отдельности, но и анализировать получаемые статистические данные.

Работа выполнена при поддержке гранта УМНИК-2015, договор 0011831.

Список литературы

1.     Кудрявцев, А.А. Спектры энергии электронов в гелии, наблюдаемые в микроплазменном детекторе CES / А.А. Кудрявцев, А.С. Мустафаев, А.Б. Цыганов, А.С. Чирцов, В.И Яковлева // Журнал технической физики, 2012, Т.82, вып.10, С.1-6.

2.     Общественное здоровье и здравоохранение: учебн. для студентов / под ред. В.А. Миняева, Н.И. Вишнякова, 6-е изд., М.: МЕДпресс-информ, 2012, С.11.

3.     Растворова, Ю.В. Микроплазменный сенсор для неинвазивной медицинской диагностики / Растворова Ю.В., Максимова Е.Н. // Сборник тезисов участников форума «Наука будущего – наука молодых», Севастополь, 2015, Т. 2, С. 87.

4.     Mustafaev, A.S. Microplasma analyzers for continuous personal biomedical diagnostics / A.S. Mustafaev, E.N. Maximova, J.V. Rastvorova, A.S. Chirtsov, A.B. Tsyganov // The Proceedings of 2nd International Scientific Symposium "Sense. Enable. SPITSE.", St. Petersburg Electro Тechnical University "LETI", St. Petersburg, Russia, 2015, P. 210-213.