Розроблення оптичного сенсора для контролю наявності водню і метану в парах видоху людини
Автор: Соловій Богдан Володимирович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Електронні прилади та пристрої
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Соловій Б.В., Микитюк З.М. (керівник). Розроблення оптичного сенсора для контролю наявності водню та метану в парах видоху людини. Магістерська кваліфікаційна робота. - Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація. Магістерську кваліфікаційну роботу присвячено розробленню оптичного сенсора для контролю наявності водню та метану в парах видоху людини. Ці речовини можуть бути біомаркерами ряду захворювань і патологічних станів людини. Також проведення аналізу парів видоху пацієнта на наявність таких газів може використовуватися для моніторингу ефективності терапії, а також передбачення реакції організму на конкретний вид лікування. Такий аналіз є неінвазивним методом діагностики пацієнтів, завдяки чому на нього виникає попит та з’являється підвищений інтерес. Дані про виділення водню та метану, отримані за допомогою таких аналізів, є надзвичайно цінними для діагностики великої кількості захворювань. Актуальність та зростання застосування такого роду тестів завдячує появі ширшого кола апаратури, нових методів для більш повного аналізу ознак захворювань та загалом підвищенню ефективності їх діагностики. В роботі наведено дані про існуючі газоаналізатори, що використовуються для такого роду тестів, сформульовані вимоги до сенсорів водню та метану для використання в медичних цілях. Проведено літературний огляд, в якому були розглянуті причини утворення водню та метану у організмі людини, хворіб, які пов’язані з утворенням цих газів у організмі людини, схеми тестування, види газових сенсорів, а також здійснено аналіз характеристик сучасних газоаналізаторів для проведення водневих та метанових дихальних тестів. На основі цих даних розроблено компактний газоаналізатор на базі контролера серії Arduino Uno для використання приватними особами або медичними установами, що спеціалізуються на лікуванні хворіб, які пов’язані з травною системою людини. Проведено економічний аналіз доцільності створення даного газоаналізатора. В якості методу діагностики стану шлунково-кишкового тракту проведення аналізу водню і метану в парах видоху людини застосовується вже більш, як 40 років[1]. За цей час тест зазнав значних змін. Змінилися методики його проведення, підвищилася чутливість виявлення аналітів, було розширено список захворювань, що діагностуються таким методом, покращилися призначені для користувача характеристики діагностичного обладнання. Водневий, метановий або воднево-метановий тести можуть проводитися як в спокійному, ненавантаженому стані обстежуваної людини, так і після навантаження[2,3]. Найчастіше в якості навантаження виступає прийом порції певних вуглеводів (глюкози, фруктози, лактози, сахарози, лактулози і т.п.). Також в якості навантаження може виступати фізичний або інший стресовий вплив. Тест проводиться після короткого періоду голодування (як правило, 8–12 годин)[2,3]. Перевагою такого тестування є те, що його можна проводити не лише в медичних закладах, а навіть вдома. В умовах сьогодення цей метод діагностики швидко впроваджується в клінічну практику у всіх куточках світу. Є певні проблеми з методологічними аспектами окремих водневих тестів через те, що не всі вони отримали належну стандартизацію, тому вдосконалення ефективних існуючих та розробка нових тестів у всьому світі триває надалі. В результаті прийнятого у 2008 році Римського консенсусу по водневим тестам групою міжнародних експертів було затверджено ряд рекомендацій щодо клінічного застосування і показань для проведення водневих дихальних тестів при захворюваннях шлунково-кишкового тракту[1,4]. За допомогою воднево-метанових аналізів дихання можливо виявляти та досліджувати такі відхилення в організмі людини, як синдром надмірного бактеріального росту в тонкій кишці, порушення всмоктування та перетравлення вуглеводів, цироз печінки, захворювання підшлункової залози та інші[5,6]. Принцип роботи розроблюваного сенсора заснований на тому, що пара деяких органічних речовин після поглинання рідким кристалом призводить до зміни довжини хвилі селективного відбивання цього кристала. Це може бути використано як підґрунтя до створення чутливих елементів оптичних сенсорів[7]. Процес проведення газового аналізу за допомогою розроблюваного пристрою побудований на визначенні часового проміжку між моментами активації та порогової зміни оптичних характеристик чутливого елемента розробленого сенсора. Як результат, можна стверджувати, що отриманий показник концентрації газу є часовою функцією до миті переключення самого чутливого елемента. Об’єкт дослідження – оптичний газовий сенсор для контролю наявності водню та метану в парах видоху людини. Предмет дослідження – оптичні властивості чутливого елемента газового сенсора на основі рідких кристалів. Мета дослідження: розроблення оптичного сенсора для контролю наявності водню та метану в парах видоху людини. В результаті виконання даної магістерської роботи було розроблено оптичний газовий сенсор для проведення воднево-метанових дихальних тестів. В якості чутливого елементу були обрані рідкі кристали. Завдяки здатності рідкого кристалу поглинати пари деяких органічних речовин можна змінювати довжину хвилі селективного відбивання рідкого кристалу. Ця особливість була покладена в основу розроблюваного сенсора. Ключові слова – синдром надмірного бактеріального росту, рідкі кристали, оптичний сенсор, метан, водень, дихальний тест. Перелік використаних літературних джерел: 1. Степанов Ю. М., Будзак И. Я., Коненко И. С. Дыхательный водородный тест в диагностике патологии желудочно-кишечного тракта. Gastroenterology. 2015. Т. 55, № 1. С. 81-85. 2. Harvie R. M., Tuck C. J., Schultz M. Evaluation of lactulose, lactose, and fructose breath testing in clinical practice: A focus on methane. JGH Open. 2020, Vol. 4, No 2. P. 198-205. 3. Hasler W. L. Lactulose breath testing, bacterial overgrowth, and IBS: just a lot of hot air? Journal Gastroenterology. 2003. Vol. 125, No. 6. P. 1898–1900. 4. Водородный дыхательный тест в диагностике непереносимости углеводов и синдрома избыточного бактериального роста: методические рекомендации для врачей / под ред. Корниенко Е.А., Дмитриенко М.А., Тимофеевой Д.Ф., Типикиной М.Ю., Карпинчук Д.Н., Кубаловой С.С. Санкт-Петербург : СПбПУ, 2011. 20 с. 5. Dae Bum Kim, Chang-Nyol Paik, Hea Jung Sunga, Woo Chul Chung, Kang-Moon Leea, Jin-Mo Yang, Myung-Gyu Choib. Association between increased breath hydrogen methane concentration and prevalence of glucose intolerance in acute pancreatitis. Journal of Breath Research. 2020 Vol. 14, No. 2. P. 514–518. 6. Braden B. Methods and functions: breath tests. Best Practice & Research Clinical Gastroenterology. 2009. Vol. 23, No. 3. P. 337–352. 7. Chin-Kai Chang, Hui-Lung Kuo, Kea-Tiong Tang, Shih-Wen Chiu. Optical detection of organic vapors using cholesteric liquid crystals. Applied Physics Letters. 2011. Vol. 99, No. 7. P. 504–519.