RU2271741C2 - Device for non-invasive finding of sugar content in patient's blood - Google Patents

Abstract

FIELD: analysis of material; testing of materials.

SUBSTANCE: device can be used for finding amount of glucose from time of spin-lattice relation of T₁ nuclei in blood. Device has NMR detector made in form of inductance coil for finger which detector is disposed in space of permanent magnet. Detector is connected with analyzer made in form of NMR-spectrometer. Description of spectrometer is provided.

EFFECT: improved precision; improved truth of measurements.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств особыми способами, в частности путем определения времени ядерной магнитной релаксации в сыворотке и в плазме крови T₁ на основе ядерного магнитного резонанса.The invention relates to the field of research or analysis of materials by determining their chemical or physical properties by special methods, in particular by determining the time of nuclear magnetic relaxation in serum and in blood plasma T ₁ based on nuclear magnetic resonance.

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее монокулярную трубу, строго фиксированной длины 330 нм, в которой расположены источники спектрального излучения, выполненные в виде светодиодов АЛ 360 красного и желтого цвета.A device for non-invasive determination of sugar content in human blood containing a monocular tube, a strictly fixed length of 330 nm, in which there are sources of spectral radiation, made in the form of AL 360 LEDs in red and yellow.

Патент Российской Федерации №2023270, МПК: G 01 N 33/66, 1994.Patent of the Russian Federation No. 2023270, IPC: G 01 N 33/66, 1994.

На глаз пациента с нормальным цветовосприятием воздействуют фиксированной пиковой яркостью импульсов желтого и красного цветов, определяют критическую частоту слияния мельканий, а затем рассчитывают искомую концентрацию. Устройство дает возможность определить отклонение содержания глюкозы в крови по величине производной. Применение устройства ограничено при нарушении цветовосприятия, при миопии и гиперметропии, когда глаз перестает быть оптическим прибором.A normal peak brightness of yellow and red pulses is applied to the patient’s eye with normal color perception, the critical flicker fusion frequency is determined, and then the desired concentration is calculated. The device makes it possible to determine the deviation of glucose in the blood by the value of the derivative. The use of the device is limited in violation of color perception, with myopia and hyperopia, when the eye ceases to be an optical device.

Известно устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик и анализатор, датчик выполнен в виде высокочастотного генератора, анализатор в виде измерительного моста и чувствительный индуктивный элемент, включенный в диагональ моста.A device for non-invasive determination of sugar content in human blood, containing a sensor and an analyzer, the sensor is made in the form of a high-frequency generator, the analyzer is in the form of a measuring bridge and a sensitive inductive element included in the diagonal of the bridge.

Измерения и анализ проводят с использованием высокочастотных колебаний, посредством воздействия пальца руки на чувствительный индуктивный элемент анализатора.Measurements and analysis are carried out using high-frequency oscillations, through the action of a finger on the sensitive inductive element of the analyzer.

Патент Российской Федерации №2088927, МПК: G 01 N 33/49, 1997 (прототип).Patent of the Russian Federation No. 2088927, IPC: G 01 N 33/49, 1997 (prototype).

В данном устройстве палец человека по существу является сердечником, изменяющим индуктивность чувствительного элемента анализатора. Эти изменения зависят от размеров пальца, от поверхности кожного покрова, которая может быть и мягкой, и грубой, что привносит существенные изменения в индуктивность.In this device, the human finger is essentially a core that changes the inductance of the analyzer sensitive element. These changes depend on the size of the finger, on the surface of the skin, which can be soft or rough, which brings significant changes in inductance.

Ни аналог, ни прототип не обладают высокой точностью оценки содержания глюкозы в крови. Дают возможность получить лишь качественную информацию об отклонениях содержания сахара в собственной крови в ту или другую сторону, если предварительно проведена обязательная индивидуальная тарировка с применением инвазивного метода.Neither the analog nor the prototype have a high accuracy in estimating blood glucose. They make it possible to obtain only qualitative information about deviations of the sugar content in one’s own blood in one direction or another, if the mandatory individual calibration has been previously carried out using the invasive method.

Данное устройство устраняет недостатки аналога и прототипа.This device eliminates the disadvantages of analog and prototype.

Техническим результатом данного изобретения является возможность неинвазивной диагностики для любых пациентов, повышение точности измерений.The technical result of this invention is the possibility of non-invasive diagnostics for any patients, improving the accuracy of measurements.

Технический результат достигается тем, что в устройстве неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащем датчик для пальца руки с анализатором, анализатор выполнен в виде ЯМР-спектрометра, содержащего генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, микропроцессор, блок программного управления и магнит с однородным магнитным полем, в зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции, катушки генератора модулирующего напряжения звуковой частоты, датчик в виде датчика ЯМР с катушкой индуктивности для пальца руки и расположен в зазоре постоянного магнита, генератор изменения магнитного поля выполнен с возможностью скачкообразного изменения магнитного поля, а генератор асимметричных импульсов выполнен с возможностью формирования треугольных импульсов.The technical result is achieved by the fact that in the device for non-invasive determination of sugar content in human blood containing a finger sensor with an analyzer, the analyzer is made in the form of an NMR spectrometer containing a magnetic field generator with coils, an asymmetric pulse generator for low-frequency modulation with remote coils, high-frequency weak oscillation generator connected to a finger sensor, sound frequency modulating voltage generator with remote coils, sound amplifier frequency, microprocessor, program control unit and magnet with a uniform magnetic field, in areas with a uniform field of the magnet there are asymmetric pulse generator coils for low-frequency modulation, sound frequency modulating voltage generator coils, an NMR sensor with an inductance coil for the finger and is located in the gap of the permanent magnet, the generator of the change in the magnetic field is configured to abruptly change the magnetic field, and the generator of asymmetric pulses is made to generate triangular pulses.

В зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции.In zones with a uniform magnet field, the coils of the asymmetric pulse generator for low-frequency modulation are located.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4.The invention is illustrated in figures 1-4.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость времени спин-решеточной релаксации T₁ от концентрации глюкозы для пальца руки, полученная авторами.Figure 1 shows the experimental dependence of the spin-lattice relaxation time T ₁ on the glucose concentration for the finger obtained by the authors.

На фиг.2 представлена схема получения двух чередующихся амплитуд сигналов при несимметричной модуляции поля. Для создания несимметричной модуляции используется система модулирующих катушек, в которых ток изменяется по треугольному закону. Для изменения временного интервала внутри пары сигналов использована система катушек, в которых постоянный ток изменяют скачком по программе, заложенной в блоке управления.Figure 2 presents the scheme for obtaining two alternating amplitudes of signals with asymmetric modulation of the field. To create asymmetric modulation, a system of modulating coils is used, in which the current changes according to a triangular law. To change the time interval inside a pair of signals, a system of coils is used in which the direct current is changed abruptly according to the program embedded in the control unit.

На фиг.3 схематично представлена принципиальная схема, где: 1 - источник постоянного тока с катушками 1с, 2 - генератор треугольных импульсов для низкочастотной модуляции с катушками 2м, 3 - генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с катушками 3з, 4 - высокочастотный (ВЧ) генератор малых колебаний с датчиком ЯМР для пальца 4д, 5 - усилитель звуковой частоты, 6 - блок программного управления, 7 - процессор управления, записи и обработки сигналов ЯМР, 8 - магнит (в данном примере постоянный).Figure 3 schematically shows a schematic diagram where: 1 - a constant current source with coils 1s, 2 - a triangular pulse generator for low-frequency modulation with 2m coils, 3 - an audio modulating voltage generator with coils 3z, 4 - a high-frequency (HF) generator small vibrations with an NMR sensor for a finger 4e, 5 - an audio frequency amplifier, 6 - a program control unit, 7 - a processor for controlling, recording and processing NMR signals, 8 - a magnet (in this example, a constant).

На фиг.4 представлена экспериментально полученная на макетной установке последовательность пар импульсов с изменяемым временным интервалом между ними. Амплитуда первого сигнала (левая вертикальная линия) остается постоянной, а амплитуда второго сигнала возрастает по мере увеличения временного интервала между ними. (На основании этих измерений проводятся вычисления времени спин-решеточной релаксации T₁).Figure 4 presents a sequence of pairs of pulses experimentally obtained on a breadboard installation with a variable time interval between them. The amplitude of the first signal (left vertical line) remains constant, and the amplitude of the second signal increases as the time interval between them increases. (Based on these measurements, the spin-lattice relaxation time T ₁ is calculated.)

Основой данного устройства неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, включающего измерения на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) времени спин-решеточной релаксации T₁, является прямая зависимость этого времени T₁ от концентрации глюкозы в крови (фиг.1).The basis of this device for non-invasive determination of blood sugar in humans, including measurements based on nuclear magnetic resonance (NMR) of the spin-lattice relaxation time T ₁ , is a direct dependence of this time T ₁ on the concentration of glucose in the blood (figure 1).

Палец руки человека представляет собой практически идеальный объект для подобных измерений. В пальцах имеется множество капилляров, в которых скорость движения крови небольшая 0,5-1,2 мм/с, при этом сводится к минимуму влияние артефактов от движения. Объем, занимаемый межклеточной жидкостью, кровью и мышечной тканью, позволяет получать амплитуды сигналов поглощения ЯМР от жидкостной компоненты пальца, достаточные для дальнейшего усиления и обработки. Небольшие изменения соотношения объемов, занимаемых костной и мышечной тканями, которые могут быть у разных людей, не вносят существенных изменений в измеряемую величину T₁.The human finger is an almost perfect object for such measurements. There are many capillaries in the fingers, in which the blood speed is small 0.5-1.2 mm / s, and the effect of artifacts on movement is minimized. The volume occupied by the intercellular fluid, blood and muscle tissue, allows to obtain the amplitudes of the NMR absorption signals from the liquid component of the finger, sufficient for further amplification and processing. Small changes in the ratio of volumes occupied by bone and muscle tissue, which may be in different people, do not make significant changes in the measured value of T ₁ .

Таким образом, при регистрации магниторезонансного сигнала поглощения от пальца фактически измеряется сигнал от крови и межклеточной жидкости, а поскольку концентрация глюкозы в последней зависит от содержания ее в крови, то поведение времени релаксации непосредственно связано с концентрацией глюкозы в крови человека. По существу палец выполняет функцию сосуда, слабо влияющего на измерения параметров крови.Thus, when registering a magnetic resonance absorption signal from a finger, the signal from blood and intercellular fluid is actually measured, and since the glucose concentration in the latter depends on its content in the blood, the relaxation time behavior is directly related to the glucose concentration in human blood. Essentially, the finger functions as a vessel that weakly affects the measurement of blood parameters.

Устройство неинвазивного определения содержания глюкозы в крови человека работает следующим образом.A non-invasive device for determining glucose in human blood works as follows.

Палец помещают в индуктивном датчике 4д, представляющем собой катушку индуктивности диаметром 15 мм и высотой 15-20 мм, расположенную в зазоре постоянного магнита 8 и являющуюся частью колебательного контура генератора высокочастотных колебаний 4. Высокочастотные колебания электромагнитной энергии создаются генератором 4 в режиме слабых колебаний, при котором небольшие изменения добротности его задающего контура приводят к изменению амплитуды генерируемых колебаний, а изменение индуктивности или емкости - к изменению частоты этих колебаний. Палец, помещенный внутрь катушки, существенно (на несколько процентов) снижает частоту колебаний генератора. Для устранения этого нежелательного эффекта в устройстве предусмотрена система автоматической подстройки частоты ВЧ-генератора. Подают напряжение на генератор асимметричной модуляции 2, питающий катушки 2м, на генератор звуковой частоты 3, питающий катушки 3з, и управляющие импульсы от блока программного управления 6 на источник постоянного тока с катушками 1с, создающего в данном варианте скачки постоянного магнитного поля с помощью катушек 1с.The finger is placed in the inductive sensor 4e, which is an inductor with a diameter of 15 mm and a height of 15-20 mm, located in the gap of the permanent magnet 8 and which is part of the oscillating circuit of the high-frequency oscillation generator 4. High-frequency oscillations of electromagnetic energy are generated by the generator 4 in the mode of weak oscillations, when in which small changes in the quality factor of its master circuit lead to a change in the amplitude of the generated oscillations, and a change in inductance or capacitance leads to a change in the frequency of these oscillations niy. A finger placed inside the coil significantly (by several percent) reduces the oscillation frequency of the generator. To eliminate this undesirable effect, the device provides a system for automatically adjusting the frequency of the RF generator. They apply voltage to the asymmetric modulation generator 2, which feeds the coil 2m, to the audio frequency generator 3, which feeds the coil 3s, and the control pulses from the program control unit 6 to the direct current source with coils 1s, which creates in this embodiment jumps of a constant magnetic field using coils 1s .

Уменьшение амплитуды колебаний контура генератора, вызванное поглощением электромагнитной энергии в момент резонанса, промодулированное звуковой частотой, усиливается резонансным усилителем высокой частоты. После амплитудного детектора сигнал усиливается узкополосным усилителем 5 на звуковой частоте модуляции. После второго амплитудного и импульсного детекторов сигнал поступает на АЦП и далее в ячейку памяти микропроцессора 7. Таким образом, в память микропроцессора записываются все сигналы ЯМР, а также временные интервалы между сигналами поглощения.The decrease in the amplitude of oscillation of the generator circuit, caused by the absorption of electromagnetic energy at the time of resonance, modulated by the sound frequency, is amplified by a high-frequency resonant amplifier. After the amplitude detector, the signal is amplified by a narrow-band amplifier 5 at the modulation sound frequency. After the second amplitude and pulse detectors, the signal is fed to the ADC and then to the memory cell of the microprocessor 7. Thus, all NMR signals, as well as time intervals between absorption signals, are recorded in the microprocessor memory.

Сигналы поглощения появляются дважды в течение одного периода треугольной модуляции при выполнении условий ЯМРAbsorption signals appear twice during one period of triangular modulation when the NMR conditions are satisfied

Н₀=ω₀/γ_р=H_пм+nΔH_u+2H_м2t₁/T_м,H ₀ = ω ₀ / γ _p = H _pm + nΔH _u + 2H _m 2t ₁ / T _m ,

где ω₀ - частота генератора слабых колебаний,where ω ₀ is the frequency of the generator of weak oscillations,

γ_р - гиромагнитное отношение для ядер водорода,γ _p - gyromagnetic ratio for hydrogen nuclei,

Н₀ - напряженность магнитного поля, при которой происходит резонансное поглощение электромагнитной энергии,H ₀ - magnetic field at which there is a resonant absorption of electromagnetic energy,

Н_пм - напряженность магнитного поля, создаваемая постоянным магнитом,N _pm - the magnetic field created by a permanent magnet,

ΔН_u - скачкообразное изменение напряженности магнитного поля при подаче одного управляющего импульса,ΔН _u - abrupt change in the magnetic field when applying one control pulse,

n - число поданных импульсов,n is the number of pulses supplied,

2Н_м - удвоенная амплитуда треугольной модуляции магнитного поля,2N _m - doubled amplitude of the triangular modulation of the magnetic field,

t₁ - время, прошедшее от начала периода до появления первого сигнала поглощения,t ₁ - the time elapsed from the beginning of the period to the appearance of the first absorption signal,

t₂=Т_м-t₁ - время появления второго сигнала, при этом время между двумя сигналами τ=Т_м-2t₁,t ₂ = T _m -t ₁ - the time of occurrence of the second signal, while the time between two signals τ = T _m -2t ₁ ,

Т_м - период треугольной модуляции, при подаче одного управляющего импульса временной интервал между импульсами изменится на Δτ=Т_мΔН_u/4Н_м.T _m - the period of triangular modulation, when one control pulse is applied, the time interval between pulses will change by Δτ = T _m ΔН _u / 4Н _m .

Использование двойной модуляции позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум и тем самым уменьшить погрешность определения времени T₁.The use of double modulation can significantly increase the signal-to-noise ratio and thereby reduce the error in determining the time T ₁ .

Требования к стабильности источника, создающего скачки магнитного поля, существенно снижаются, т.к. измерения проводят в режиме модуляции, амплитуда которой на много порядков превышает амплитуду флуктуаций в источнике тока. Дополнительная модуляция магнитного поля осуществляется на частоте звукового диапазона. Период следования токовых скачков кратен периоду треугольной модуляции Т_ск=nТ_м.The requirements for the stability of the source creating jumps in the magnetic field are significantly reduced, because the measurements are carried out in a modulation mode, the amplitude of which is many orders of magnitude higher than the amplitude of the fluctuations in the current source. Additional modulation of the magnetic field is carried out at the frequency of the sound range. The period of current jumps is a multiple of the period of triangular modulation T _ck = nT _m .

Время спин-решеточной релаксации T₁ определяется из соотношенияThe spin-lattice relaxation time T ₁ is determined from the relation

T₁=τ/-ln(l-A(τ)/A₁,T ₁ = τ / -ln (lA (τ) / A ₁ ,

где τ - время между парой сигналов,where τ is the time between a pair of signals,

А(τ) - амплитуда второго сигнала,And (τ) is the amplitude of the second signal,

A₁ - амплитуда первого сигнала, которая не ниже амплитуды второго сигнала А(τ) и в процессе измерений остается неизменной.A ₁ - the amplitude of the first signal, which is not lower than the amplitude of the second signal A (τ) and remains unchanged during measurements.

Некоторый разброс значений амплитуды первого сигнала A₁ определяет ошибку измерений времени спин-решеточной релаксации T₁. Вся информация об амплитудах первого и второго сигнала, а также временного интервала между ними поступает в компьютер, где по заданной программе определяют время спин-решеточной релаксации T₁ и при помощи калибровочного коэффициента определяют концентрацию глюкозы.Some variation in the amplitude of the first signal A ₁ determines the measurement error of the spin-lattice relaxation time T ₁ . All information about the amplitudes of the first and second signal, as well as the time interval between them, is sent to a computer, where, according to a given program, the spin-lattice relaxation time T ₁ is determined and the glucose concentration is determined using a calibration coefficient.

Claims (1)

Устройство неинвазивного определения содержания сахара в крови человека, содержащее датчик для пальца руки, связанный с анализатором, отличающееся тем, что анализатор выполнен в виде ЯМР-спектрометра, содержащего генератор изменения магнитного поля с катушками, генератор асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции с выносными катушками, высокочастотный генератор слабых колебаний, соединенный с датчиком для пальца руки, генератор модулирующего напряжения звуковой частоты с выносными катушками, усилитель звуковой частоты, микропроцессор, блок программного управления и магнит с однородным магнитным полем, в зонах с однородным полем магнита расположены катушки генератора асимметричных импульсов для низкочастотной модуляции, катушки генератора модулирующего напряжения звуковой частоты, датчик выполнен в виде датчика ЯМР с катушкой индуктивности для пальца руки и расположен в зазоре постоянного магнита, генератор изменения магнитного поля выполнен с возможностью скачкообразного изменения магнитного поля, а генератор асимметричных импульсов выполнен с возможностью формирования треугольных импульсов.A non-invasive device for determining the sugar content in human blood, containing a finger sensor associated with the analyzer, characterized in that the analyzer is made in the form of an NMR spectrometer containing a magnetic field change generator with coils, an asymmetric pulse generator for low-frequency modulation with remote coils, high frequency weak oscillation generator connected to a finger sensor, sound frequency modulating voltage generator with remote coils, sound frequency amplifier, m a cropping processor, a program control unit and a magnet with a uniform magnetic field, in areas with a uniform magnetic field there are asymmetric pulse generator coils for low-frequency modulation, sound frequency modulating voltage generator coils, the sensor is made in the form of an NMR sensor with an inductance coil for the finger and is located in the gap of a permanent magnet, the generator of the change in the magnetic field is configured to abruptly change the magnetic field, and the asymmetric pulse generator is made with the ability to form triangular pulses.

Images