Сотрудники научно-исследовательской лаборатории спектроскопии биологических объектов ИТМО разработали новую диагностическую систему для обнаружения бактерии Helicobacter pylori. Точность прибора такая же высокая, как у других уже существующих систем ― 98%. Но исследователи отмечают, что разработанный метод проще в использовании. И наконец, система собрана из отечественных компонентов, благодаря чему в перспективе может заменить ушедшие с рынка иностранные аналоги. Подробнее о том, как устроена разработка, рассказываем в материале.

Внешне газоанализатор выглядит как большой прямоугольный закрытый блок, внутри которого установлена диагностическая система. Перед началом анализа образцы уреазного дыхательного теста с газовой смесью (обычно они хранятся в герметичных тюбиках) присоединяют к газоанализатору. После этого газовая смесь проникает внутрь газоанализатора и попадает в закрытую емкость с небольшими отверстиями — кювету. Она нужна, чтобы не давать смеси распространяться по всему прибору. С помощью оптической системы газоанализатора лазерное излучение фокусируется и направляется в кювету со смесью.

В проекте также участвуют специалисты всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. Менделеева ― именно они помогли подготовить эталонные газовые смеси. Смеси называются так, потому что объемные доли содержащихся в них компонентов заранее известны. Такие образцы удобно использовать для проверки и калибровки прибора. Если значение объемных долей, которые показывает диагностическая система, совпадает со значением на эталонной пробе, значит прибор показывает корректные измерения.

Затем ученые ИТМО разработали специальное программное обеспечение, которое нужно для управления системой и анализа образцов, и провели исследования. Исследователи изучили, как конкретно разные параметры (мощность лазерного излучения, температура, давление) влияют на концентрацию молекул углеродов 12С и 13С в газовой смеси. И в результате построили линейную функцию зависимости значений объемной доли углеродов 12С и 13С от условий, в которых проводится испытание. Это помогает подобрать нужные параметры для теста и предсказать, каким будет результат измерения.

Дальше все взаимодействие лазера и молекул газовой смеси можно сравнить с упражнением из школьной физкультуры на меткость. Представим, что ребенок кидает сразу несколько теннисных мячиков (в нашем случае это лазерное излучение) в неподвижную круглую мишень, которая нарисована на стене (кювет с газовой смесью). Когда мячики попадают в цель, то разлетаются в разные стороны (фотоны из газовой смеси вылетают из небольших отверстий кювета). Затем к упавшим на пол мячикам подбегает ребенок, собирает их и уносит в общую корзину с мячиками (рассеянное излучение собирают с помощью другой оптической системы газоанализатора и направляют в приемник излучения).

Последний этап исследования — анализ. Монохроматор и камера фиксируют все изменения длины волны излучения. На основе этих данных программное обеспечение анализирует, как изменялось соотношение углерода 12С и 13С. Благодаря результатам этого теста и других сведений о пациенте врач ставит диагноз и планирует дальнейшее лечение.

А чтобы подготовить газоанализатор к следующим испытаниям, достаточно запустить систему очистки. Она удаляет из кюветы следы предыдущей газовой смеси. В свою очередь это повышает точность дальнейших измерений.

Не только Helicobacter pylori

Сейчас разработчики диагностической системы ищут партнеров среди медицинских лабораторий, чтобы провести доклинические и клинические испытания. Если всё пройдет успешно, в дальнейшем они готовы разработать уже серию приборов вместе с индустриальными партнерами. По словам Евгения Попова, система может быть интересна индустриальным партнерам в том числе и потому, что ее можно будет использовать в медицинских учреждениях как замену оборудованию иностранного производства.

«Как все работает? Когда пациент сдал уреазный дыхательный тест, две его пробы отвозят в медицинскую лабораторию и исследуют на нашем приборе ―  оператор присоединяет пробы к газоанализатору и делает нужные измерения. При этом мы специально сделали удобный интерфейс, который упростит работу оператора. Благодаря подсказкам у персонала получится провести измерения в той последовательности, в которой мы задумали, а это очень важно для конечного результата. После исследования оператор получает готовый текстовый документ, где написано изменение в соотношении углеродов 12С и 13С. В дальнейшем он может сразу отправить его медицинскому учреждению, самому пациенту или на его основе составить клинический протокол для своей организации», — объясняет руководитель лаборатории оптоэлектронного обеспечения киберфизических систем ИТМО Владимир Виткин.

По словам разработчиков, в перспективе диагностическую систему можно адаптировать и для определения других заболеваний — например диабета, астмы, рака легких и туберкулеза. Дело в том, что в зависимости от болезни, которой страдает пациент, меняется и его состав дыхания. В нем появляются конкретные биомаркеры — летучие органические вещества (углеводороды, альдегиды, спирты, кетоны и другие). Именно они также могут указать на наличие заболевания.

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/13075/