Разработка устройства для определения присутствия в атмосфере (выдыхаемой пробе) наличия определенных соединений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Со времени Гиппократа врачи знали, что аромат человеческого дыхания может дать представления о диагнозе. Уже тогда ученые обнаружили, что запах ацетона возникает у больных с неконтролируемым диабетом, а заплесневелый сильный запах говорит о проблемах с печенью, подобный моче запах сопровождает нездоровые почки и гнилое зловоние сообщает об абсцессе легкого.

Но без объективного химического анализа дыхание развитие данной области не могло произойти и действительно большой рывок был совершен Антуаном Лораном Лавуазье более чем 200 лет назад. Лавуазье разработал устройство, которое накапливало и концентрировало компоненты дыхания с помощью химических реакций. В результате чего были получены первые качественные зависимости наличия определенных соединений у некоторых групп больных. [1]

Большой шаг в изучении параметров выдыхаемого воздуха начался в конце 70-х годов XX-века, когда Нобелевскии? лауреат Лаи?нус Полинг начал проводить анализ конденсата выдыхаемого воздуха [2]. Используя методы газовои? и жидкостнои? хроматографии, получилось идентифицировать порядка 250 веществ, а на данный момент современные ученые смогли определить до 1000 летучих компонентов в выдыхаемых образцах[1; 4]. Но даже, учитывая это, большая часть веществ остается неизвестна и требует более детального и глубоко изучения.

Исследование летучих веществ в выдыхаемом воздухе вызывает не только научно-теоретическии? интерес, но и имеет большое практическое значение в медицине (например, для оценки эффективности противовоспалительнои? терапии у больных с хроническими обструктивными заболеваниями легких) [3; 6; 7; 8; 9; 11].

На сегодняшний день известны несколько устройств для получения конденсата выдыхаемого воздуха : это «Jaeger Tonnies Hoechberg», Германия и «Respiratory Research», США [10]. По выдыхаемому воздуху проводится исследование состава газообразных, легколетучих и среднелетучих органических соединении?. Газы с высокои? молекулярнои? массои? характерны для многих физиологических и патологических состоянии?, их концентрация может изменяться при приеме многих лекарственных средств, но их диагностическую ценность необходимо установить в процессе дальнеи?ших углубленных исследовании?.

Для большинства людей идея тестирования дыхания связана только с определением наличия алкогольных паров в выдыхаемом воздухе. Несмотря на эту незавидную связь с опьянением, тестирование дыхания превратилось за последние 50 лет в развивающуюся область медицинской технологии и электроники. Врачи начали использовать дыхательные тесты, чтобы диагностировать все более и более большое разнообразие болезней без страха и дискомфорта от агрессивных болезненных процедур. Кроме того, дыхательные тесты обеспечивают важное новое понимание основных биохимических функций тела. Клинические исследования доказали, что присутствие некоторых групп веществ у здоровых людей в организме говорит о наличии серьезных заболеваний, которые могут быть диагностированы на раннем этапе.

Легкие человека обладают метаболической, выделительной и респираторной функциями. Через этот орган выделяются различные летучие химические соединения, которые были образованы в результате многих реакций обмена, происходящих как в легочной ткани, так и во всем организме человека. Так, например, ацетон выделяется в реакциях окисления жиров, аммиак и сероводород -- при обмене аминокислот, предельные углеводороды -- в ходе перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот. По изменению количества и соотношения выделяемых при дыхании веществ можно делать выводы об изменениях обмена веществ и наличии болезни.

Чтобы обеспечить должное технологическое сопровождение изучения химических соединений в выдыхаемом воздухе на сегодняшний день используются методы спектрометрии и хроматографии в лаборатории. К сожалению, оба метода являются дорогостоящими и доступными только для специально обученного персонала и не могут быть использованы в ежедневной диагностике наличия заболеваний у рядовых пациентов.

В данной работе представлено устройство, разработанное на основе недорогих полупроводниковых датчиков газов, которое в процессе прохождения первоначальных испытаний позволило подтвердить присутствие в атмосфере (выдыхаемой пробе) наличие определенных соединений.

1. Обзор текущего состояния дел в области

1.1 Обзор научных источников

Несмотря на то, что диагностика заболеваний по выдыхаемому воздуху еще не получила массового применения в мире, уже проводятся исследования оправданности данного способа диагностики и зависимости химического состава воздуха от различных заболеваний.

Паоло Монтуши, итальянский ученый, в своей статье «Analysis of exhaled breath condensate in respiratory medicine: methodological aspects and potential clinical applications» утверждает, что анализ конденсата выдыхаемого воздуха имеет большой потенциал для оценки воспаления легких. Выдыхаемый воздух состоит преимущественно из водяных паров, однако в нем содержатся также молекулы различных веществ и соединений, концентрация которых повышается у пациентов с наблюдаемыми легочными болезнями и патологиями. В следствие этого изучение выдыхаемого воздуха представляется перспективной областью и имеет большое практическое значение в диагностике легочных заболеваний.

Однако автор указывает на проблему того, что в данный момент не существует стандартизированного подхода к забору проб воздуха, который бы определял механику взятия пробы, устройство датчика, способ хранения и анализа биоматериала. Эта проблема делает затруднительным сравнение полученных данных из разных лабораторий и усложняет процесс совместных исследований, а также делает процесс анализа выдыхаемого воздуха более подходящим для относительной диагностики состояния пациента, чем для количественного определения воспалительных факторов.

Группа ученых из европейских институтов гигиены труда рассмотрела анализ выдыхаемого воздуха как альтернативу анализу крови. Основой их предположения послужила гипотеза о газовом равновесии легочного воздуха и легочной кровью. Были проделаны эксперименты по наблюдению концентрации известного растворителя в выдыхаемом воздухе и артериальной крови. Путь крови через легочные капилляры занимает около 1 секунды - этого вполне достаточно, чтобы газы или пары диффундировали в кровь через поверхностно-активный слой и соединительную ткань. Диффузия растворителя в выдыхаемый воздух занимает около 0.3 секунды. Итак, после попадания паров растворителя в легкие равновесие концентраций между артериальной кровью и выдыхаемым воздухом можно считать почти мгновенным. Для достоверных заборов проб воздуха должны выполняться следующие условия:

· Пробоотборник дыхания сам по себе должен иметь низкую устойчивость к нормальному дыханию, не подвергаться воздействию водяного пара, быстро герметизировать забранный воздух и позволять легко извлекать и воспроизводить образец для анализа

· Необходимо определить факторы, влияющие на соотношение крови и дыхания.

· Поскольку дыхание не является однородным образцом, необходимо идентифицировать и собрать часть образца дыхания, которая будет соответствовать концентрации крови.

Таким образом, анализ выдыхаемого воздуха может стать альтернативой клиническому анализу крови, т.к. по нему можно определять те же маркеры заболеваний легочной системы.

Анализом выдыхаемого конденсата дыхания занимаются многие научные центры в Японии и некоторые в Европе. Изучение конденсата представляет собой сложные манипуляции с хроматографами и масс-спектрографами. На сегодняшний день нанотехнологии помогают получать широкий спектр необходимых параметров для газочувствительных слоев сенсоров. Например, используемые в производстве «электронного носа» нанокомпозиционные материалы, включающие наночастицы металлов, оксидов металлов, полимеры.

Самыми доступными и дешевыми на рынке являются полупроводниковые датчики, полученные с помощью микроэлектронных интегральных технологий. Самыми популярными долго время остаются металлооксидные датчики, работающие по принципу изменения электропроводности полупроводников на основе оксидов различных металлов, легированных металлами обладающими каталитическими свойствами (например, платина), при повышении температуры в присутствии анализируемых газов.

С увеличением производства бюджетных датчиков началось развитие многих областей науки, которые нуждались в изучении и мониторинге состава газов. Самым значимым прорывом являются перспективы использования подобных датчиков в составе приборов для ранней диагностики заболеваний в медицине. Например, сахарный диабет с 19 века выявляли по наличию неприятного запаха изо рта, а сегодня с помощью подобной технологии можно диагностировать даже муковисцидоз.

На сегодняшний день на рынке средняя стоимость подобных сенсоров варьируется от $15 тыс. до $120 тыс., и отсутствуют портативные бюджетные модели, доступные для проведения небольших тестов по определению газового состава. Сравнение наиболее распространных приборов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Классификация приборов «Электронный нос»

Тип сенсора	Принцип измерения	Способ изготовления	Производитель, стоимость (тыс. $)
Металл-оксидныи?	Электропроводность	Микроэлектроника	MOS-Multy Organoleptic Systems (20)
Проводящие полимеры	Электропроводность	Технология микропечати	Aroma scan PLC (50), Cyrano Science Inc.
Пьезокристал. микровесы	Приращение массы	Технологии нанесения микропленок	Alpha MOS-Multy Organoleptic Systems (20)
Поверхностные акустические волны	Приращение массы	Технологии нанесения микропленок	Electronic Sensor Thechnology (25)
Каталитические транзисторы	Измерение емкостных зарядов	Микроэлектронные технологии	Nordic Sensor Thechnologies (40)
Опто-электронные сенсоры	Флуоресценция, ИК-спектр, анализ микропленок	Точные технологи, нанесение красителеи?	Nordic Sensor Thechnologies (60)

На данный момент существует семейство устройств под названием «электронный нос», построенных с использованием полупроводниковых сенсоров различных типов, с помощью которых можно распознать большую часть компонентов газовой смесей. Такие приборы позволяют заменить дорогие газовые хроматографы за счет недорогих полупроводниковых элементов.

Сегодня есть несколько известных уже собранных работающих моделей устройств, построенных на принципах «электронный нос». Одно из них принадлежит научно-исследовательской лабораторией космических исследований в области технологий, систем и процессов МИЭМ НИУ ВШЭ. Этот прибор обладает вживленным искусственным интеллектом, который был реализован с помощью быстро обучаемого нейросетевого интеллекта для распознавания запахов. Нововведение заключается в том, что прибор работает с использованием твердотельных газочувствительных матриц, состоящих из полупроводниковых датчиков. Предложение исследователей позволяет достичь высокой точности при анализе смесей.

Схема заявляемого устройства, которая включает следующие позиции:

· матрица газочувствительных датчиков;

· блок управления нагревом газочувствительных датчиков;

· блок распознавания запахов;

· блок индикации;

Нейронная сеть устройства заранее обучена распознавать 16 запахов. Если в базе запахов обнаружено два варианта близких образов запаха, то предпочтение отдается тому запаху, чей код ближе к эталонному коду по расстоянию Хэмминга (подсчитывается число совпадений разрядов в коде). Преимуществом является также возможность корректировать ошибки "электронного носа", возникающие из-за старения матрицы газочувствительных датчиков.

Сфера применения данного устройства достаточно широка, оно может быть использовано для мониторинга окружающей среды, обеспечения безопасности людей и объектов от террористических угроз, раннего оповещения при техногенных катастрофах, в бортовых устройствах авиационных и космических аппаратов, в технологических устройствах контроля качества исходного сырья, технологических устройствах контроля запахов, возникающих при технологических процессах.

Второй патент на подобное устройство принадлежит группе Израильских ученых под руководством Хоссама Хайка (Hossam Haick) из Техниона, Израильского технологического института. Ученые создали устройство, которое внешне и по функциональным возможностям напоминает прибор для выявления паров спирта и алкоголя в выдыхаемом воздухе у водителей транспорта. Однако, определяет оно не только наличие спирта, но и соединения, которые характерны для течения 17 различных болезней человека.

За основу такого устройства взяли дорогостоящие неупорядоченные углеродные нанотрубки и модифицированные наночастицы золота, которые в совокупности определяют наличие того или иного заболевания, посредством фиксации изменения электрического сопротивления сенсоров.

В процессе испытаний данного прибора израильские конструкторы смогли собрать пробы 1400 больных людей, страдающих строго одним из перечня заболеваний возможных для диагностики данным прибором и здоровых, которые составили контрольную группу.

Устройство определило наличие болезни Крона, рака простаты, рассеянного склероза и некоторых других заболеваний с точностью до 90%. Результаты работы прибора были проверены и подтверждены традиционными лабораторными методами: газовой хроматографией в сочетании с масс-спектрометрией.

1.2 Постановка задачи

Современная диагностическая медицина широко использует возможности электронных средств извлечения и обработки больших объемов информации. В большинстве случаев это позволяет выполнять диагностику неинвазивно. Неинвазивный - значит атравматичный, бескровный, не проникающий под кожу иглами и другими хирургическими методами.

Неинвазивный способ забора материала является щадящим и практически не может нанести болевую и эмоциональную травму пациенту. В настоящее время учеными активно изучается химический состав выдыхаемого человеком воздуха и возможности применения его анализа для диагностики различных заболеваний. Это абсолютно новый, относительно простой и бюджетный неинвазивный метод не только диагностики, но и мониторинга течения заболеваний. Анализ выдыхаемого человеком воздуха позволяет проводить дифференциацию внутри группы симптомосходных заболеваний, используя компактное переносное устройство с встроенной аспирационной системой и газовыми датчиками.

Данный прототип устройства относится к амбулаторным устройствам неинвазивной диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху, позволяющим единовременно диагностировать наличие и семейство заболевания путем многокомпонентного анализа состава выдыхаемого газа.

Главной особенностью заявленного устройства является повышение качества анализа диагностирования заболеваний за счет одновременного снятия значений нескольких компонентов и параметрического анализа данных. В момент проведения обследования пациента регистрируются данные с сенсорной системы, которые фиксируют наличие определенных соединений в выдыхаемом образце. И благодаря клиническому исследованию на пациентах с установленных диагнозом, становится возможным определение рода заболевания и в перспективе, степень его тяжести. Данный анализ проводится одной процедурой, что существенно упрощает диагностику, в сравнении с ранее используемыми методами, при которых проводится анализ лишь одного заранее заданного врачом компонента.

Таким образом, ясно видно, что анализ выдыхаемого воздуха человека на наличие маркеров заболеваний в данный момент не имеет широкого распространения в мире. Лишь несколько стран занимаются разработкой такого метода диагностики. В России подобный метод тоже не нашел широкого применения, существуют несколько аналогов устройства, которые имеют высокую цену, из-за чего не могут быть применимы повсеместно.

Цель данной работы - создать прототип устройства, которое в последствии смогло бы регистрировать несколько газов в выдыхаемом воздухе, доводить результат до пользователя в понятной форме и имело бы низкую себестоимость по сравнению с аналогами.

2. Разработка устройства

2.1 Принцип работы устройства

Вся внешняя информация собирается прибором при помощи газовых датчиков, каждый из которых настроен на определенный вид газов. При улавливании датчиком необходимого газа, сопротивление его тонкопленочного чувствительного слоя начинает изменяться, информация об этом изменении через аналоговые входы поступает на микроконтроллер, который в свою очередь переводит информацию из аналоговой формы в цифровую и подает дисплею команду для вывода полученных с датчиков данных. Таким образом, пользователь в режиме реального времени видит изменение показаний газовых сенсоров.

2.2 Схемотехническое проектирование и разработка печатной платы устройства

Первым шагом при создании устройства является определение требований к изделию и определение его полного функционала. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Определение требований к устройству

Цель	Первичная диагностика заболеваний человека
Задача	Анализ выдыхаемого человеком воздуха на наличие повышенной концентрации определенных газов и доведение полученных показателей до пользователя в понятной форме.
Принцип действия	Регистрация концентрации определенных газов с помощью газовых сенсоров и вывод показателей датчиков на экран
Регистрация газов	Метан, этан, пропан, этанол, угарный газ,
Интерфейс	Вывод показателей датчиков на дисплей в текстовом виде
Память	32 кб
Размеры	Ширина - не более 20 см Длина - не более 20 см Высота - не более 5 см
Надежность	Защита от низкочастотных и высокочастотных помех
Себестоимость материалов	До 5 000 руб

После этого наступает стадия проектирования электрической схемы. Этот этап необходим, чтобы понимать какие элементы и с какими техническими характеристиками потребуются для корректной работы прибора. Электрическая схема была составлена в программе sPlan 7.0. Программа имеет интуитивно понятный интерфейс и обширную библиотеку радиоэлементов, а также возможность экспортировать собранную схему в графический формат.

Устройство выполнено на базе микроконтроллера ATmega 328. Для фильтрации низко и высокочастотных помех между выводами питания и земли включены конденсаторы C1, C2 и C3 емкостью 100 нФ, 10 мкФ и 100 нФ соответственно.

Для возможности подключения кнопки перезагрузки устройства и ее корректной работы необходимо установить на порт Reset простейший фильтр нижних частот, состоящий из последовательно соединенных резистора R2 и конденсатора С4. При поступлении внешнего электропитания напряжение на конденсаторе нарастает плавно, что приводит к некоторой задержке снятия сигнала сброса (Reset) и повышает стабильность работы устройства.

На рисунке 1 представлена электрическая схема устройства неинвазивной диагностики выдыхаемого воздуха.



Рисунок 1. Электрическая схема устройства неинвазивной диагностики выдыхаемого воздуха

При поступлении внешнего электропитания напряжение на конденсаторе нарастает плавно, что приводит к некоторой задержке снятия сигнала сброса (Reset) и повышает стабильность работы устройства.

На выходы XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера подключен кварцевый резонатор. Atmega328 работает на частоте 16 МГц. Для согласования кварцевого резонатора, а также подавления высокочастотных составляющих, на его выводы установлены конденсаторы на 22пФ

К портам D5-D10 микроконтроллера подключается цифровой четырехстрочный дисплей WH1604, вмещающий в себя до 16 символов в каждой строке. Сам дисплей подключен также к переменному резистору R1, при изменении сопротивления которого у пользователя появляется возможность регулировать контраст изображения монитора. Также дисплей подключен к общей шине питания и к земле.

Устройство обладает входами для подключения внешнего программатора AVR ISP. Программатор - устройство, позволяющее подключить микроконтроллер к персональному компьютеру для задания и записи прошивки. Программатор необходим для загрузки программного обеспечения в микроконтроллер. Наиболее удобным видом программатора является тот, который имеет USB-выход для подсоединения к компьютеру. В данной работе использован 6-входовый ISP интерфейс. Данный интерфейс имеет следующее назначение выводов:

· VCC - «+» питания (+5В);

· GND - земля, «-» питания (Ground);

· SCK - тактовые импульсы интерфейса;

· RST - подача сигнала сброса (Reset);

· MOSI - вход данных;

· MISO - выход данных.

Рисунок 2. Порты программатора ISP

Восемь газовых датчиков подключены своими информационными выходами к аналоговым портам микроконтроллера А0 - А7. С этих портов считываются показания датчиков, а затем обрабатываются и выводятся на дисплей для удобства пользователя.

2.3 Обоснование элементной базы

Микроконтроллер является «мозгами» прибора. Он осуществляет прием информации, ее обработку, хранение и вывод; преобразует аналоговую информацию, полученную с датчиков, в цифровую форму.

Дисплей - осуществляет вывод полученных с микроконтроллера данных в понятной для пользователя форме. Является основой интерфейса устройства.

Программатор - позволяет настраивать микроконтроллер и загружать в него необходимую прошивку. Является связующим звеном между программной и аппаратной частями устройства.

Газовые сенсоры - датчики, с помощью которых происходит измерение химического состава воздуха.

Микроконтроллер - это устройство для управления множеством периферийных электронных средств. Электронное средство - устройство для извлечения, отображения, передачи или приема информации. информация передается в виде электрических сигналов, которые распространяются по проводам, кабелям и другим линиям связи. Микроконтроллер состоит из процессора, ПЗУ и памяти - все это содержится внутри одного корпуса и по сути представляет собой универсальную микросхему.

Микроконтроллер является сложным программным устройством. Он обладает большими функциональными возможностями, так как состоит из множества периферийных модулей. Он создается по микроэлектронной технологии, что позволяет значительно уменьшать размеры устройств.

При работе микроконтроллер получает и обрабатывает команды из памяти или порта ввода и приводит их в исполнение. Система команд заложена в архитектуре микроконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.



Рисунок 3. Микроконтроллер Atmega328

Данный микроконтроллер был выбран исходя из его доступности на рынке, компактных размеров и проверенного временем качества работы, ведь одна из наших задач - собрать надежную и компактную схему, которая отличалась бы умеренной ценой по сравнению с зарубежными аналогами. Этот микроконтроллер обладает достаточным объемом памяти - 32 Кб, т.к. в перспективе разрабатываемое устройство должно быть способно не только собирать данные, но и обрабатывать их, для чего и потребуется значительная память. Перед проектированием для устройства также ставились две задачи: малая потребляемая мощность и универсальность подключения. В связи с этим был выбран данный тип микроконтроллеров.

Технические характеристики:

Тактовая частота: 20 МГц

Количество входов/выходов: 23

Объем памяти программ: 32 кбайт(16k x 16)

Тип памяти программ: flash

Наличие АЦП/ЦАП: ацп 8x10b

Встроенные интерфейсы: i2c, spi, uart

Напряжение питания: 1.8…5.5 В

Рабочая температура: -40…+85c

На рисунке 4 представлена структура Atmega328 с указанием предназначения каждого из портов, а также с указанием аналоговых и цифровых входов.



Рисунок 4. Порты микроконтроллера ATmega328

Минимальная схема включения.

Для точной работы микроконтроллера необходимо обеспечить его минимальной элементной обвязкой. Ее можно увидеть на рисунке 5.

Рисунок 5. минимальная обвязка ATmega328

На выходы 9 и 10 установлен кварцевый генератор с частотой 16 МГц - именно с этой частотой будет работать устройство. Резистор R1 - предназначен для корректной работы функции RESET. Резисторы R2, R3 стоят для защиты от замыкания выходов Rx и Tx микроконтроллера.



Рисунок 6. Дисплей WH1604

Данный дисплей отличается от большинства аналогов тем, что имеет 4 строки по 16 символов. В нашем устройстве потребуется вывод не менее 8 показателей, поэтому данный дисплей является лучшим вариантом для нас в своей качественной и ценовой категории. Схема подключения дисплея приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Подключение дисплея к микроконтроллеру

Технические параметры

Количество символов: 16

Количество строк: 4

Подсветка: есть

Цвет: желт./зел.

Встроенные фонты рус./англ.

Напряжение питания,В 5

Рабочее напряжение газовых сенсоров, дисплея и микроконтроллера 3.3 В - 5 В. Поэтому проектируемый модуль работает от напряжения питания 5В. Он оснащен USB-интерфейсом для подключения питания и может работать от переносного зарядного устройства.

2.4 Выбор газовых датчиков

Основой заявленного устройства являются разноплановые газовые датчики, которые определяют наличие определенного соединения в выдыхаемом образце. Опираясь на результаты исследования проведенного ранее [2], использовались датчики к предельным углеводородам [метан, этан, пропан], а также датчик паров этанола; Повышение значений которых были симптомосходны к определенной группе заболеваний.

В устройстве использованы каталитические полупроводниковые датчики к метану, этанолу и другие: MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-6, MQ-7, MQ-8, MQ-9. Они являются самыми бюджетными и доступными на рынке, так как европейские аналоги достигают стоимости в несколько тысяч долларов.

Работа каталитических датчиков напрямую связана с количеством теплоты, генерируемого при сгорании газа, от концентрации этого газа. Данные полупроводниковые датчики работают по принципу изменения сопротивления встроенного элемента при взаимодействии с другим элементом, вследствие чего меняется сопротивление материала подложки. Принцип работы датчика основан на изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте с молекулами определяемого газа. Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки с покрытием Al2O3 и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном слое.

Выходным результатом является аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию газов, к которым восприимчив газоанализатор. Поэтому в случае использования датчика газа в изменяющейся среде, при необходимости получения точных показаний, понадобится реализовать компенсацию этих параметров.

Все используемые датчики в работе связаны с углеродосодержащими веществами, такими как метан, природный газ, пропан, угарный газ, сжиженный газ, алкоголь и даже датчики качества воздуха измеряют наличие углерода в соединениях в воздухе. Исходя из текстов спецификаций полупроводниковых элементов они рассчитаны на работы в атмосфере со стабильным уровнем кислорода, составляющим примерно 21%. [5]. Если же концентрация кислорода отличается от «эталонного», то показания будут разниться, вплоть до полной неспособности датчика выдавать вразумительные результаты при содержании кислорода на уровне 2% и ниже, что было проверено опытным путем. Происходит это ровным счетом потому что углерод на подложке никак не сможет вступать в реакцию горения и соответственно не будет получено достаточно необходимое количество окислителя.

Встает вопрос, как задать эталоны измерений, чтобы можно было проводить хоть какое-то сравнение полученных показаний, снятых с полупроводниковых элементов. Производитель советует проводить калибровку датчиков при первом запуске и периодически для сверки показателей. Лучшим способ, конечно, будет сверка показаний с уже откалиброванным прибором. В нашем случае при каждом новом опытном тесте проводились первоначальные (далее - нулевые) замеры показателей присутствия веществ, относительной влажности, температуры в помещениях около датчиков, которые могли бы как-то повлиять и изменить выходную информацию.

Существуют определенные условия для проведения опытов с этими датчиками, указанные в спецификациях к этим элементам, перечислим основные из них, которые соблюдались в процессе работы :

· Для работы с данными датчиками необходимо добавлять подстроечные резисторы различных номиналов для настройки чувствительности прибора.

· Результаты, снятые с датчиков зависят от : температуры, относительной влажности в помещении и около датчика, а также концентрации кислорода.

· Для каждого датчика необходимо согласовывать питание в рамках, допущенных в спецификациях.

· Необходимость в первичном «отжиге» датчика.

Для того, чтобы реакция проходила правильно и датчик можно было использовать несколько раз, его необходимо при первом подключении к питанию прогревать около 24 часов, чтобы чувствительная часть датчика достаточно прогрелась и могла вступать в реакции.

· Необходимость первичной и периодически повторяющейся калибровки каждого датчика.

В используемых датчиках непривычно для нас для определения концентрации вещества используется такой показатель, как «ppm». Мы привыкли показатели измерять в процентах (%) или массе к объему (мг/м3). [4].

Аббревиатура «ppm» расшифровывается как parts per million, что означает «частей на миллион». Например, 1 ppm = 0,0001%, соответственно 5% = 50.000 ppm. Перевод из процентов или ppm в мг/м3 уже сложнее, тут нужно учитывать молярную массу газа, давление и температуру. В целом формула для пересчета выглядит следующим образом P x VM=R x T, где P - давление, VM - молярный объем, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура в градусах Кельвина

Для газа CO: 3% = 30.000 ppm = 34695.52 мг/м3

Данные приведены для нормального атмосферного давления и комнатной температуры.

Для всех датчиков используется один и тот же материал подложки, как и описано в спецификациях данных элементов (Таблица 3).

Датчики MQ-2, подключаются к управляющей электронике через 3 провода.

Датчик MQ-3 подключается двумя трёхпроводными шлейфами, по первому осуществляется питание датчика и снятие показаний сенсора, по второму -- подается напряжение на нагревательный элемент сенсора.

Датчики газа MQ-5,MQ-7, MQ-8, MQ-9 подключаются к управляющей части пятью проводами с использованием двух трёхпроводных шлейфов. В таблице 3 приведены краткие характеристики датчиков, которые были использованы для работы устройства.

Таблица 3. Характеристики газовых датчиков

Название датчика	Газ	Материал подложки
MQ-2	Сжиженный природный газ	SnO2
MQ-3	C2H5OH Этанол, спирт	SnO2
MQ-4	CH4 Метан	SnO2
MQ-5	Природный газ	SnO2
MQ-6	Пропан	SnO2
MQ-7	СО Монооксид углерода, угарный газ	SnO2
MQ-8	H2 Водород	SnO2
MQ-9	CH4 Метан	SnO2

MQ-2 (рисунок 8) определяет концентрацию углеводородных газов (пропан, метан, н-бутан), дыма (взвешенных частиц, являющихся результатом горения) и водорода в окружающей среде.



Рисунок 8. Изображение платы датчика MQ-2

Рисунок 9. Схема полупроводниковых датчиков

Характеристики:

· Напряжение питания нагревателя: 5 В.

· Напряжение питания датчика: 3,3-5 В.

· Потребляемый ток: 150 мА.

· Габариты: 25,4Ч25,4 мм.



Рисунок 10. Принципиальная схема датчика MQ-2

Диапазон измерений датчика:

· Пропан: 0,2 - 5 промилле

· Бутан: 0,3 - 5 промилле

· Метан: 5 - 20 промилле

· Водород: 0,3 - 5 промилле

· Пары спиртов: 0,1 - 2 промилле

MQ-3.

MQ-3 позволяет обнаруживать наличие паров спирта: от парфюмерии или спиртных напитков, в воздухе или дыхании.

Выходным результатом является аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию спиртов вокруг газоанализатора. Чувствительность может быть настроена с помощью триммера на плате датчика. В газоанализатор встроен нагревательный элемент, который необходим для химической реакции. Поэтому во время работы сенсор будет горячим, это нормально. Для получения стабильных показаний новый сенсор необходимо один раз прогреть (оставить включённым) в течение 24 часов. После этого стабилизация после включения будет занимать около минуты. Показания сенсора подвержены влиянию температуры и влажности окружающего воздуха. Поэтому в случае использования датчика газа в изменяющейся среде, при необходимости получения точных показаний, понадобится реализовать компенсацию этих параметров.

Характеристики:

· Напряжение питания: 5 В

· Потребляемый ток: 150 мА

· Диапазон измерений: 0,05 мг/л - 10 мг/л

· Габариты: 25,4Ч25,4 мм

Рисунок 11. Схема подключения датчика MQ-3

MQ-4

MQ-4 датчик к бытовым газам.

Подключение аналогично двумя вышеуказанным датчикам.

Рисунок 12. Электрическая схема датчика MQ-4

MQ-5

MQ-5 определяет концентрацию сжиженного углеводородного газа, метана и коксового газа в окружающей среде.

Рисунок 13. Расположение элементов на плате датчика MQ-5

Диапазон измерений

· Пропан: 200-10000 ppm

· Изобутан: 200-10000 ppm

· Природный газ: 200-10000 ppm

Рисунок 14. Электрическая схема датчика MQ-5

MQ-6

MQ-6 датчик сжиженного углеводородного газа.

Характеристики

· Напряжение питания нагревателя: 5 В

· Напряжение питания датчика: 3,3-5 В

· Потребляемый ток: 150 мА

· Габариты: 25,4Ч25,4 мм

Диапазон измерений

· Пропан: 200-10000 ppm

· Изобутан: 200-10000 ppm

MQ-7

MQ-7 определит наличие и концентрацию угарного газа (CO) в окружающей среде.

Диапазон измерений

· Угарный газ: 20-2000 ppm

Характеристики

· Напряжение питания нагревателя: 5 В

· Напряжение питания датчика: 3,3-5 В

· Потребляемый ток: 150 мА

· Габариты: 25,4Ч25,4 мм

MQ-8

MQ-8 определяет концентрации водорода в окружающем воздухе.

Диапазон измерений

§ Водород: 100-10000 ppm

Характеристики

§ Напряжение питания нагревателя: 5 В

§ Напряжение питания датчика: 3,3-5 В

§ Потребляемый ток: 150 мА

§ Габариты: 25,4Ч25,4 мм

MQ-9

MQ-9 определяет концентрацию угарного газа, природного газа (метана) и сжиженного газа (пропана, бутана).

Диапазон измерений

§ Угарный газ: 20-2000 ppm

§ Метан: 500-10000 ppm

§ Сжиженные углеводородные газы: 500-10000 ppm

Характеристики

§ Напряжение питания нагревателя: 5 В

§ Напряжение питания датчика: 3,3-5 В

§ Потребляемый ток: 150 мА

§ Габариты: 25,4Ч25,4 мм

В данной главе был разработан прототип устройства. Был определен функционал прибора: он должен регистрировать определенные газы при помощи газовых сенсоров и выводить показания сенсоров на дисплей для удобства пользователя. Прототип включает в себя 8 датчиков, микроконтроллер и дисплей. Питание устройства осуществляется с помощью переносного аккумулятора, что обеспечивает мобильность прототипа.

После определения функционала была составлена принципиальная электрическая схема, в которой была учтена также защита от шумов.

Следующим этапом разработки следовал выбор элементной базы. Главными компонентами устройства являются микроконтроллер ATMega328, осуществляющий функцию управления и обработки информации, а также газовые датчики MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-6, MQ-7, MQ-8, MQ-9. Каждый сенсор регистрирует определенный газ или группу газов и передает информацию на микроконтроллер.

3. Создание и испытание устройства

3.1 Трассировка печатной платы и сборка устройства

Следующим шагом является определение элементной базы и трассировка печатной платы на основе полученной электрической схемы. Трассировка - процесс определения местоположения проводников и компонентов на печатной плате в соответствии с разработанной электрической схемой. На данном этапе определяются и оптимизируются размеры печатной платы и проектируется ее макет. Создание топологии происходило в программной среде Sprint Layout 5.0. Для обеспечения небольших размеров конечного устройства был сделан выбор в пользу элементов типа SMD. Конечный вариант трассировки печатной платы представлен на рисунке 15.

Рисунок 15. Топология печатной платы в зеркальной проекции

Далее следует изготовление печатной платы. Данный процесс можно подразделить на следующие этапы:

1) Создание фотошаблона на прозрачной пленке.

Топология платы, полученная на этапе трассировки, переносится на прозрачную пленку для дальнейшего переноса на медную пластину. На рисунке 16 представлен пример фотошаблона.

Рисунок 16. Пример фотошаблона на прозрачной пленке

2) Подготовка медной пластины: обрезка и отчистка.

Перед нанесением рисунка на медную пластину, ее необходимо обрезать по соответствующим размерам платы и обезжирить при помощи ацетона для лучшего нанесения рисунка на пластину.

3) Нанесение пленочного фоторезиста на медную пластину и экспонирование рисунка с фотошаблона.

Для переноса топологии платы на медную пластину используется пленочный фоторезист - полимерный светочувствительный материал, применяемый в фотолитографии с целью получения на изделии рисунка, соответствующего фотошаблону.

Экспонирование - процесс облучения светочувствительного материала электромагнитным излучением. В условиях данного опыта облучение производилось ультрафиолетовым излучением на протяжении 1 минуты 7 секунд. В результате экспонирования рисунок с фотошаблона полностью переносится на макет печатной платы.

4) Проявление фоторезистивного изображения.

Проявление - это процедура удаления засвеченных ультрафиолетовым светом участков из пленки фоторезиста на печатной плате. Таким образом, вымываются все свободные от проводников места платы и на пленке фоторезиста остаются только прорисованные дорожки проводников и площадки для монтажа компонентов.

Печатная плата с фоторезистом после экспонирования помещается в раствор кальцинированной соды, в котором происходит вымывание лишних частей фоторезиста с поверхности. После этой процедуры на печатной плате проявляется четкий рисунок топологии схемы - все дорожки проводников остаются покрыты слоем фоторезиста и становятся защищены от воздействия раствора для травления.

5) Травление печатной платы

Травление - процесс удаления лишних медных слоев с поверхности платы с сохранением медных дорожек проводников. Печатная плата помещается в раствор хлорного железа, которое разъедает незащищенные участки, оставляя на плате лишь медные дорожки, покрытые фоторезистом. Время нахождения платы в растворе 15-20 минут.

Уравнение реакции при травлении хлорным железом имеет следующий вид:

В результате травления получается печатная плата с разведенными медными дорожками, покрытыми фоторезистом.

6) Снятие остатков фоторезиста

После процесса травления необходимо снять с платы остатки фоторезиста, закрывающие медные дорожки. Для этого поверхность печатной платы протирается ацетоном.

7) Лужение медных дорожек

Для защиты медных дорожек платы от коррозии, воздействия воды, кислорода, щелочей и кислот производя операцию лужения. Это процесс покрытия проводников тонким слоем другого металла, слабо подверженного коррозии. Большим применением в лужении пользуется олово, т.к. обладает достаточными антикоррозийными свойствами.

8) Монтаж компонентов.

Все пассивные элементы разработанной электрической цепи выполнены в корпусе SMD, что предполагает поверхностный монтаж этих элементов. Данные компоненты устанавливаются на поверхность платы без просверливания отверстий в самой пластине. На контактные площадки наносится паяльная паста, после чего устанавливаются компоненты. Далее происходит групповая пайка за счет оплавления пасты (при помощи печи и паяльной станции или под воздействием инфракрасного излучения). Таким образом на плату устанавливаются микроконтроллер, резисторы и конденсаторы.

В свою очередь дисплей, порты для подключения питания и программатора монтируются при помощи проделывания сквозных отверстий в поверхности платы.

После изготовления печатной платы следует монтаж радиоэлементов и сборка печатного узла. Итоговое устройство представлено на рисунках 17 и 18.



Рисунок 17

Рисунок 18. Вид снизу

микроконтроллер электронный трассировка

3.2 Программная часть

Программирование устройства происходило в среде Arduino 1.8.2 - эта среда была выбрана в силу своего простого синтаксиса и доступного эксплуатирования. Прошивка загружалась на микроконтроллер с использованием внешнего программатора AVR ISP.

Текст программы:



Задаются переменные, в которые будут передаваться показания газовых датчиков в реальном времени.

Инициализация переменных, определение размерности дисплея. Т.к. перед началом эксплуатации датчиков необходимо осуществить их прогрев, устанавливаем время 10 секунд для прогрева. Во время прогрева показания датчиков выводиться на экран не будут.



Информация с датчиков поступает в микроконтроллер в аналоговом виде. Для дальнейшей обработки полученные данные необходимо оцифровать. В этом блоке программы устанавливается оцифровка считанных аналоговых показаний.

Данный блок позволяет выводить полученные и оцифрованные с датчиков данные на экране компьютера при подключении устройства к программной среде Arduino. Это позволит подключать устройство к компьютеру через интерфейс программатора и автоматически считывать показания датчиков на компьютере для дальнейшей обработки.



Данный блок команд настраивает вывод показаний датчиков на дисплей устройства, что позволяет использовать прибор автономно без подключения к компьютеру и обеспечивает его мобильность.

3.3 Проведение испытаний

На данном этапе случайной выборкой было произведено 30 замеров по каждому датчику замеров показателей у людей с уточненными диагнозами заболеваний и у тех, кто не страдал легочными заболеваниями последний год исходя из результатов флюорографии.

В работе в ходе отработки методики был отработан оптимальный алгоритм проведения исследования: испытание должно проводиться натощак через 12 часов после последнего приема пищи. Из рациона питания за сутки до начала тестов должны быть исключены мясо, молоко, бобовые. [2] Перед началом исследования пациент должен был прополоскать рот антисептическим раствором. Отбор пробы осуществлялся через специальный одноразовый загубник, встроенный в прибор, который помещался в ротовую полость пациента.

Далее были совершены калибровочные снятия показателей датчиков и первичные тестовые показатели. В исследовании участвовало 25 стационарных больных и 13 здоровых.

Основой практической части исследования было формирование двух групп пациентов для сравнения при проведении параметрической диагностики выдыхаемого воздуха. Диагноз у людей в группе «больные» был получен на основе анализа флюорографии, проведенного не позднее года от дня прохождения теста. В соответствии с этими результатами была составлены графики сравнения показателей здоровых людей и больных с учетом нулевых отсчетов каждого из датчиков и таблица зависимостей концентраций газов в выдыхаемом воздухе от типа заболеваний. Для наглядности были получены соотношения показателей сенсоров у здоровых и больных относительно друг друга. По оси абсцисс указаны номера испытуемых, по оси ординат указаны значения сигналов сенсоров.

Рисунок 19. Сравнение и усреднение показателей здоровых и больных людей по датчику выделения Метана

Как видно из графического материала (рисунок 19), люди, которые не относились к респондентам из первой группы заболевших показали результаты заметно ниже. По усредненной линии тренда это очень хорошо заметно, даже с учетом ошибки из выборки. Что касается датчиков к пропану, то результаты обеих групп заметно отличаются.

Рисунок 20. Сравнение и усреднение показателей здоровых и больных людей по датчику выделения пропана

Показания датчика к метану у больных людей были в среднем на 45% выше, чем у здоровых. Показатели пропана различались в среднем на 20% в сторону больных пневмонией. Результаты по датчикам к СО и LPG (природный газ) приведены в приложении, но существенного вклада в исследование не внесли.

4. Анализ полученных при испытаниях данных

Для анализа полученных данных используется t-критерий Стьюдента, используемый во всем мире для проверки статистических критериев по таблице распределения Стьюдента. Чтобы использовать этот критерий необходимо, чтобы у данных было нормальное распределение. Для этого необходимы рассчитанные значения дисперсии, математического ожидания и средних квадратических отклонений у каждой выборки данных. В нашем случае будет 8 групп данных:

1. Показатели датчика метана у здоровых и больных участников эксперимента

2. Показатели датчика пропана у у здоровых и больных участников эксперимента

3. Показатели датчика угарного газа у здоровых и больных участников эксперимента

4. Показатели датчика природного газа у здоровых и больных участников эксперимента

Математическое ожидание -- среднее значение случайной величины при стремлении количества выборок или количества измерений её к бесконечности. Рассчитывается по формуле:

,

где -значения из выборки, а -вероятность появления данного значения.

Дисперсия - мера разброса значений случайной величины относительно её математического ожидания. Вычисляется по формуле с использованием среднего квадратического отклонения :

,

где

Зная эти величины можно построить нормальное распределение, чтобы можно было использовать t-критерий Стьюдента. Стандартное нормальное распределение- распределение с математическим ожиданием 0 и стандартным отклонением 1.

Рассчитывается с использование плотности распределения и строится график нормального распределения величины:

Так, в конце строится критерий Стьюдента и делается вывод о значимости полученных данных в эксперименте.

Для данного эксперимента были получены данные с использованием программного обеспечения Microsoft Excel. Для каждой группы данных брались значения нулевых показателей датчиков и полученных, по ним вычислялись все статистические показатели.

Для датчика к метану

Таблица 4 статистических данных для группы «Заболевшие. Метан»

Дисперсия	23 724.0	Мат ожидание	321.0
Среднее арифм	310.1	Медиана	354.0
Квадратическое отклонение	153.2	Средняя ошибка арифметической	31.3

Плотность нормального распределения:

Рисунок 21. Плотность нормального распределения группы «Метан. Болеющие»

Таблица 5 - Статистические данные для группы «Здоровые. Метан»

Дисперсия	33 227.0	Мат ожидание	9.0
Среднее арифм	153.5	Медиана	148.0
Квадратичное отклонение	59.5	Средняя ошибка средней квадратической	14,0

Используя эти данные рассчитаем критическое и собственное значение t-критерия Стьюдента по формуле:

где M1- - средняя арифметическая первой сравниваемой совокупности (группы), М2 - средняя арифметическая второй сравниваемой совокупности (группы), m1 - средняя ошибка первой средней арифметической, m2 - средняя ошибка второй средней арифметической.

В случае с датчиком метана имеем:

Значение t-критерия Стьюдента: 4.57;

Критическое значение t-критерия Стьюдента = 2.018, при уровне значимости б = 0,05;

Различия статистически значимы (p=0.000044)

Число степеней свободы f = 42

Если рассчитанное значение t-критерия Стьюдента равно или больше критического, найденного по таблице, делаем вывод о статистической значимости различий между сравниваемыми величинами. В нашем случае данные имеет значимые различия, значит могут быть использованы, как достоверные, в исследовании. Расчет критерия для датчиков к пропану, СО и природному газу приведены в приложении.

На выходе результаты начальных измерении? в исследуемых группах больных имеют статистически явные различия между группами здоровых испытуемых и пациентами, имеющими патологию легких.

Таким образом, в процессе работы был создан действующий прототип устройства для проведения диагностики методом анализа выдыхаемого воздуха. В процессе доработки находится аспирационное устройство, так как важной составляющей частью в исследовании является качество газа, попадающего в анализатор и при отсутствии должного внимания данному аспекту можно получить данные с низкой достоверностью.

На этапе сборки прибора были проведены первые пилотные пробные тесты, в которых прибор показал себя достаточно успешно: практически достоверно можно разделить группы людей на заболевших и здоровых. Но, к сожалению, из-за несовершенства датчиков некоторые показания выпали из выборки конечных результатов, так как имели другие условия проведения эксперимента, отличные от большинства. Так температура в помещении, в котором проводились испытания должна была быть не выше 25 градусов по Цельсию, относительная влажность не более 65%, пациент должен был отказаться от еды не позднее, чем за 12 часов до анализа, аспирационное устройство - трубка с загубником, в которую дышали должна была быть всегда в стабильно одинаковом состоянии для всех тестов.

В случае с аспирационной трубкой, приходилось ее заменять и снова подвергать калибровке устройство, а также ждать пока будет очищено пространство от уже старого газа от предыдущего вдоха для более достоверного результата последующих тестов. Поэтому было принято решение отправить на доработку модель аспирационного устройства для оптимизации работы и проработки системы вдоха-выдоха на тестовых испытаниях следующего прототипа.

Анализ статистических данных показал, что только датчик метана показал существенно различные данные у заболевших и здоровых групп, а значит только данные, снятые с этого датчика можно интерпретировать, как успешные для будущего использования.

Заключение

Основное применение заявленного прототипа устройства - проведение ранней диагностики заболеваний широкого спектра. В процессе работы и исследования получены первоначальные качественные зависимости концентрации определенных групп веществ в выдыхаемых образцах от конкретных типов заболеваний, составлены таблицы качественных зависимостей показателей выдыхаемого воздуха от разнотипичных заболеваний. Благодаря бюджетности данного прибора, допускается его использование в повседневной амбулаторной диагностике рядовым персоналом без специальных навыков.

1. В результате обзора литературных источников по теме неинвазивной диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху было установлено, что на данный момент существуют доказательства изменения химического состава выдыхаемого воздуха от наличия некоторых видов заболевания, но это направление до сих пор не нашло широкого применения ни в России, ни в мире. Этим обоснована актуальность данной научно-исследовательской работы.

2. После тщательного анализа имеющихся аналогов и выявления их конструкторских и функциональных недостатков были сформированы требования к конструкции и функционалу устройства. В частности, оно должно быть способно анализировать несколько видов газов, иметь интуитивно понятный интерфейс и обладать достаточной мобильностью для использования его в любых окружающих условиях. В результате этого была составлена принципиальная электрическая схема изделия и определена элементная база.

3. На основе электрической схемы была разработана топология устройства - были определены размеры, расположения проводников и контактных площадок на печатной плате. После чего последовало создание печатной платы, сборка устройства и испытания его работоспособности.

4. Были проведены испытания прибора на группе больных с известным диагнозом и выявлена реакция газовых датчиков на повышенное содержание метана в выдыхаемом воздухе больных по сравнению с здоровой группой. Это различие подтвердилось также и в результате математического анализа данных.

...