УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АГРЕГАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N33/48 

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано, например, при исследовании агрегации тромбоцитов в процессе свертывания крови.

При исследовании агрегационных свойств биологических объектов наиболее распространенными являются устройства, принцип действия которых основан на определении скорости и степени уменьшения оптической плотности исследуемого объекта в процессе агрегации при его перемешивании с индукторами агрегации.

Известен выбранный в качестве прототипа агрегометр, содержащий два канала, каждый из которых включает в себя последовательно установленные регулируемый источник света, цилиндрическую кювету, фотоприемник и усилитель, последовательно установленные блок вычитания, регулируемый усилитель, фильтр нижних частот и блок регистрации, последовательно установленные генератор тактовых импульсов, элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, кнопку "Пуск", компаратор, источеник опорных напряжений и блок перемешивания.

Источники света, кюветы и фотоприемники размещены в термостатированном кюветном отделении. Один канал является опорным, другой - измерительным. Перемешивание жидкости в кювете осуществляется только в измерительном канале. Блок перемешивания представляет собой электродвигатель, на валу которого закреплен постоянный магнит, приводящий во вращение размещенный в кювете измерительного канала элемент перемешивания. Стандартный объем помещаемой в кюветы пробы в известном устройстве равен 0,45 мл. Путем установки под кювету специальной вставки объем пробы может быть уменьшен до 0,25 мл, но при этом луч света в измерительном канале оказывается расположенным очень близко к элементу перемешивания, вследствие чего возрастает влияние помех перемешивания, увеличиваются шумы и соответственно снижается точность измерений.

Известному устройству присущи следующие недостатки:
нестабильности и дрейф параметров элементов измерительного тракта приводят к появлению дополнительной погрешности измерения, которая в процессе выполнения измерения не может быть устранена;
наличие возможных засветок фотоприемников вследствие недостаточной светозащищенности кюветного отделения приводит к дополнительным некомпенсируемым погрешностям измерения;
наличие перемешивания исследуемого объекта в процессе измерений приводит к появлению дополнительных помех, величина которых возрастает при уменьшении объема пробы и ограничивает точность измерений, ограничивая тем самым минимально допустимый объем пробы.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений путем устранения влияния засветок кюветного отделения и нестабильностей элементов измерительного тракта, а также уменьшение влияния помех перемешивания на точность измерений и уменьшение объема пробы путем синхронизации процесса перемешивания исследуемого объекта со съемом измерительной информации.

Указанная цель достигается тем, что в заявляемом устройстве применен интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который включен таким образом и процесс измерения организован так, что это позволяет на этапе автокоррекции АЦП осуществлять запоминание и затем автоматический учет мешающих электрических сигналов, связанных с нестабильностями и дрейфом узлов измерительного тракта, предшествующих АЦП, а также паразитных засветок фотоприемников в кюветном отделении. Кроме того введена жесткая синхронизация вращения находящегося в измерительной кювете элемента перемешивания с работой АЦП, в результате чего съем измерительной информации осуществляется всегда при одном и том же положении элемента перемешивания относительно светового потока, что позволяет выбрать оптимальное положение элемента и добиться минимума шумов перемешивания.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для исследования агрегационных свойств биологических объектов; на фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - функциональная схема формирователя импульсов; на фиг. 4 - эпюры напряжений поясняющие работу формирователя.

Устройство содержит (см. фиг. 1) термостатированное кюветное отделение 1, включающее в себя оптически прозрачные кюветы 2 и 3 цилиндрической формы, магнитный элемент 4 для перемешивания исследуемого объекта, расположенный в кювете 3, источники 5 и 6 света и фотоприемники 7 и 8, регулируемые источники 9 и 10, тока, предварительные усилители 11 и 12, блок 13 вычитания, регулируемый усилитель 14, генератор 15 тактовых импульсов, делитель 16 частоты, элемент 17 И, счетчик 18 импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10, компараторы 20 и 28, фильтр 21 нижних частот, блок 22 регистрации, кнопку 23 "Пуск", формирователь 24 импульсов, полупроводниковый диод 25, интегрирующий АПЦ 26, цифровой индикатор 27, источник 29 опорных напряжений и блок 30 перемешивания, включающий в себя делитель 31 частоты, и фильтр 32 нижних частот, регулируемый фазовращатель 33, усилитель 34 мощности и синхронный электродвигатель 35, на выходном валу которого установлен постоянный магнит 36, который посредством магнитного поля связан с магнитным элементом 4 для перемешивания исследуемого объекта.

Формирователь 24 импульсов содержит элементы 37 и 38 И, одновибраторы 39, 40, 41 и 42 и RS-триггер 43.

Устройство работает следующим образом. В кювету 2 помещают опорный объект (например, бестромбоцитарную плазму крови), относительно которого осуществляются измерения, а в кювету 3 - исследуемый объект (например, тромбоцитарную плазму крови). При этом в кювете 2 осуществляется перемешивание исследуемого объекта с помощью магнитного элемента 4, который посредством магнитного поля приводится во вращение постоянным магнитом 36, закрепленным на валу синхронного электродвигателя 35 в блоке 30 перемешивания. Выходные сигналы фотоприемников 7 и 8 усиливаются предварительными усилителя 11 и 12, вычитаются в блоке 13 вычитания, разностный сигнал с выхода которого через регулируемый усилитель 14 поступает на первый вход интегрирующего АЦП 26. При этом коэффициент усиления усилителя 14 обратно пропорционален напряжению на его управляющем входе, на который поступает сигнал с выхода ЦАП 19, который, в свою очередь, определяется цифровым кодом, поступающим на его вход с выхода счетчика 18 импульсов. Поскольку в момент включения устройства счетчик 18 устанавливается в случайное положение, то и выходной сигнал усилителя 14 после включения устройства также имеет случайное значение. Работа устройства неразрывно связана с работой интегрирующего АЦП 26, который в стандартном включении функционирует в три такта. В первом такте осуществляется интегрирование поданного на вход АЦП напряжения и конденсатор интегратора заряжается до некоторого значения, пропорционального величине входного напряжения. Во втором такте конденсатор интегратора разряжается по линейному закону до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не станет равным нулю и не сработает имеющийся внутри АЦП компаратор. Длительность второго такта преобразуется в количество импульсов, которое высвечивается на цифровом индикаторе 27, подключенном к выходу АЦП. В третьем такте осуществляется автокоррекция АЦП, в процессе которой на дополнительном конденсаторе, входящем в состав интегратора АЦП, запоминается величина дрейфа и нестабильности внутренних узлов АЦП, которая в первом цикле вычитается из напряжения на основном конденсаторе интегратора, в результате чего происходит автоматическая компенсация погрешности измерения.

В заявляемом устройстве АЦП 26 включен нестандартным образом, что позволяет в процессе измерений автоматически компенсировать дрейф и нестабильности фотоприемников 7 и 8, предварительных усилителей 11 и 12, блока 13 вычитания и регулируемого усилителя 14. Для этого измеряемое напряжение с выхода усилителя 14 подается не на сигнальный вход АЦП, являющийся входом буферного усилителя, как это было при стандартном включении, а на первый вход АЦП 26, являющийся первым входом интегратора. А на сигнальный вход АЦП, являющийся четвертым входом блока 26, подается опорное напряжение U_оп.3 от источника 29 опорных напряжений. Второй выход блока 26 является выходом буферного усилителя, входящего в состав АЦП. Второй вход блока 26 является вторым входом интегратора. Между вторым входом и вторым выходом блока 26 включен полупроводниковый диод 25, а к третьему входу подключен генератор 15 тактовых импульсов. Первый выход соединен с входом цифрового индикатора 27.

Такое включение АЦП позволяет достигнуть следующего. Во время первого такта опорное напряжение U_оп.3 поступает на вход внутреннего буферного усилителя АЦП 26, в результате чего на его втором выходе, являющемся выходом буферного усилителя, возникает положительный импульс напряжения (см. фиг. 2а), запирающий диод 25. При этом срабатывает второй компаратор 28, на вход сравнения которого подается некоторое положительное напряжение U_оп.2 от источника 29 опорных напряжений. Компаратор 28 включает регулируемые источники 9 и 10 тока, которые в свою очередь включают источники 5 и 6 света, в качестве которых могут быть использованы, например, инфракрасные светодиоды. В результате на выходе регулируемого усилителя 14 появляется сигнал, пропорциональный разности световых потоков на фотоприемниках 7 и 8, который интегрируется в интеграторе АЦП 26. По окончании первого такта (во втором такте) на вход внутреннего буферного усилителя АЦП начинает поступать U_оп.3 со знаком "минус", в результате чего на втором выходе АЦП появится отрицательный сигнал, возвращающий компаратор 28 в исходное состояние, открывающий диод 25 и включающий компаратор 20, на вход сравнения которого поступает опорное напряжение U_оп.1 от источника 29 опорных напряжений. Источники 9 и 10 тока и источники 5 и 6 света отключаются (см. фиг. 2б) и начинается разряд конденсатора интегратора в АЦП 26 через диод 25, который длится до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не упадет до нуля. При этом на выходе компаратора 20 образуется импульс (см. фиг. 2в), длительность которого равна длительности второго такта работы АЦП, то есть пропорциональна измеряемому напряжению. Затем начинается третий такт работы АЦП 26. Поскольку источники 5 и 6 света в этом такте выключены, то сигнал на выходе регулируемого усилителя 14 должен быть равен нулю. Но на самом деле за счет дрейфа, нестабильностей и возможных засветок кюветного отделения величина этого сигнала отлична от нуля, что в обычных условиях является источником погрешностей. Но в данном случае в течение третьего такта происходит запоминание этого напряжения на запоминающем конденсаторе в интеграторе АЦП. В дальнейшем во время первого такта запомненное напряжение будет автоматически вычитаться из входного напряжения, в результате чего влияние дрейфов, нестабильностей и засветок будет скомпенсировано. Таким образом на выходе компаратора 20 образуется последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемому напряжению на первом входе АЦП 26. Сигнал с выхода компаратора 20 проходит фильтр 21 нижних частот, в котором выделяется его постоянная составляющая, и поступает на блок 22 регистрации, показания которого будут пропорциональны величине сигнала на выходе усилителя 14 во время первого такта за вычетом напряжения ошибки.

Поскольку после включения устройства коэффициент усиления усилителя 14 устанавливается случайным образом, то после включения устройства надо осуществить его калибровку. Для этого нажимается кнопка 23 "Пуск" (см. фиг. 2г), после чего формирователь 24 импульсов, на который поступает сигнал с выхода компаратора 28 (см. фиг. 2б) и выхода компаратора 20 (см. фиг. 2в), вырабатывает импульс сброса (см. фиг. 2д), обнуляющий счетчик 18 импульсов в самом начале первого такта работы АЦП. При этом коэффициент усиления усилителя 14 становится равным некоторому заданному максимальному значению. Во втором такте на выходе компаратора 20 появляется импульс, длительность которого пропорциональна выходному значению напряжения усилителя 14. Этот импульс проходит на второй выход формирователя 24 импульсов и открывает элемент 17 И, который пропускает на счетный вход счетчика 18 импульсов определенное количество импульсов, зависящее от величины напряжения на первом входе АЦП. В результате на выходе ЦАП 19 установится некоторое напряжение, задающее коэффициент усиления усилителя 14. Обратная связь регулируется таким образом, чтобы на выходе регулируемого усилителя 14 устанавливалось некоторое заданное значение напряжения, например 1В, что достигается выбором коэффициента деления частоты в делителе 16 частоты и масштабированием выходного напряжения на выходе ЦАП 19.

После калибровки устройства в кювету 3 добавляется вещество, инициирующее реакцию агрегации, после чего в блоке 22 регистрации осуществляется запись зависимости степени агрегации исследуемого вещества от времени в процессе агрегации. Первоначальная балансировка измерительного тракта устройства осуществляется путем регулировки выходного тока одного из источников 9 или 10 тока по нулевому выходному сигналу усилителя 14 при помещении в кюветы 2 и 3 одного и того же объекта, например, базового,
Для того, чтобы реакция агрегации в кювете 3 проходила равномерно по всему объему исследуемого вещества, его перемешивают в процессе агрегации за счет вращения помещенного в кювету 3 магнитного элемента 4. При вращении элемента 4 в объеме исследуемой жидкости образуются неоднородности, которые проявляются в виде так называемых помех перемешивания, связанных со случайным изменением оптической плотности исследуемой жидкости в кювете. Эти помехи сказываются тем сильнее, чем ближе находится ось пучка света, проходящего через кювету 3, к элементу 4. Это ограничивает минимальную величину объема пробы, при которой можно проводить исследования. Для уменьшения объема пробы в заявляемом устройстве осуществляется синхронизация процесса перемешивания с процессом съема измерительной информации за счет того, что частота вращения элемента 4 перемешивания устанавливается равной или кратной частоте съема информации, которая задается в АЦП 26. Для этого частота выходных импульсов генератора 15 тактовых импульсов делится на нужное число раз делителем 31 частоты, выходное напряжение которого имеет вид меандра. Это напряжение, проходя фильтр 32 нижних частот, становится синусоидальным. Затем оно через регулируемый фазовращатель 33 и усилитель 34 мощности поступает на обмотку синхронного электродвигателя 35, частота вращения которого таким образом оказывается жестко связанной с частотой съема информации в блоке 26. Регулируя фазовращателем 33 фазу положения элемента 4, добиваются минимального значения уровня шумов на записи выходного сигнала в блоке 22 регистрации. Это позволяет либо уменьшить уровень шумов, связанных с перемешиванием исследуемого объекта при том же объеме пробы, либо уменьшить объем пробы при том же уровне шумов.

Формирователь 24 импульсов (см. фиг. 3) работает следующим образом. Сигнал "Пуск", приходящий от кнопки 23 (см. фиг. 4), поступает на один из входов элемента 37 И и одновременно запускает одновибратор 42, генерирующий короткий импульс (см. фиг. 4и), который переводит RS-триггер 43 в положение "единица" (см. фиг. 4м), и выходной сигнал триггера 43 поступает также на вход элемента 37 И. Поэтому, когда на элемент 37 И поступит сигнал с выхода компаратора 28 (см. фиг. 4б), то он пройдет через элемент 37 И (см. фиг. 4з) и запустит одновибраторы 39 и 40. Одновибратор 39 генерирует короткий импульс (см. фиг. 4д), который поступает на сброс счетчика 18 импульсов. А одновибратор 40 генерирует длинный импульс (см. фиг. 4л), полностью захватывающий первый и второй такты работы АЦП 26. Этот импульс поступает на элемент 38 И и пропускает через него первый же импульс, приходящий от компаратора 20 (см. фиг. 4в). Прошедший через элемент 38 И импульс (см. фиг. 4е) поступает на вход элемента 17 И и одновременно запускает одновибратор 41, выходной импульс которого (см. фиг. 4к) возвращает триггер 43 в нулевое положение (см. фиг. 4м). В результате при одном нажатии кнопки 23 "Пуск" на элемент 17 И проходит только один импульс с выхода компаратора 20, осуществляющий автоматическую установку коэффициента усиления усилителя 14, то есть калибровку устройства. Если при включении устройства триггер 43 случайно сразу установится в единичное положение, то нормальной работе формирователя 24 импульсов это не помешает. (56) Агрегометр фирмы, "CHRONO-LOG CORPORATION" (США), модель 530. Техническое описание, 1983.

Использование: устройство для исследования агрегационных свойств биологических объектов относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для исследования агрегации тромбоцитов в процессе свертывания крови. Сущность: устройство содержит термостатированное кюветное отделение 1, включающее кюветы 2 и 3, магнитный элемент 4 перемешивания, источники 5 и 6 света и фотоприемники 7 и 8, источники 9 и 10 тока, предварительные усилители 11 и 12, блок 13 вычитания, регулируемый усилитель 14, генератор 15 тактовых импульсов, делители 16 и 31 частоты, элемент 17 И, счетчик 18 импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 19, компараторы 20 и 28, фильтры 21 и 32 нижних частот, блок 22 регистрации, кнопку 23 "Пуск", формирователь 24 импульсов, полупроводниковый диод 25, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 26, цифровой индикатор 27, источник 29 опорных напряжений, блок 30 перемешивания, регулируемый фазовращатель 33, усилитель 34 мощности, синхронный электродвигатель 35 и постоянный магнит 36. Источники света включаются только во время первого такта работы АЦП 26. При нажатии кнопки 23 "Пуск" осуществляется калибровка устройства, во время которой на выходе усилителя 14 за счет действия обратной связи устанавливается заданное напряжение. Во время второго такта работы АЦП на выходе компаратора 20 появляется импульс, длительность которого пропорциональна величине напряжения на выходе усилителя 14 во время первого такта. Во время третьего такта происходит запоминание напряжения на выходе усилителя 14 при отключенных источниках света. Это напряжение связано с нестабильностями элементов измерительного тракта и засветками кюветного отделения. В дальнейшем это напряжение автоматически вычитается в АЦП во время первого такта. Синхронизация процесса перемешивания и съема измерительной информации осуществляется за счет того, что напряжение питания электродвигателя 35 жестко синхронизировано с цикличностью работы АЦП. Фаза питания электродвигателя 35 регулируется фазовращателем 33 по минимуму шумов при записи сигнала в блоке 22 регистрации. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АГРЕГАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, содержащее термостатированное кюветное отделение, включающее в себя последовательно расположенные первый источник света, первую оптически прозрачную кювету цилиндрической формы и первый фотоприемник и последовательно расположенные второй источник света, вторую оптически прозрачную кювету цилиндрической формы, в которой размещен магнитный элемент для перемешивания исследуемого объекта, и второй фотоприемник, два регулируемых источника тока, входы которых объединены, а выходы подключены к входам первого и второго источников света соответственно, первый предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, а выход подключен к входу сложения блока вычитания, второй предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, а выход подключен к входу вычитания блока вычитания, выход которого соединен с входом регулируемого усилителя, последовательно соединенные первый элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу управления регулируемого усилителя, последовательно соединенные фильтр нижних частот и блок регистрации, генератор тактовых импульсов, кнопку "Пуск", первый компаратор, вход сравнения которого подключен к соответствующему выходу источника опорных напряжений, и блок перемешивания, содержащий синхронный электродвигатель и установленный на его выходном валу постоянный магнит, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерений путем устранения влияния засветок кюветного отделения и нестабильностей элементов измерительного тракта, в него введены цифровой индикатор, полупроводниковый диод, формирователь импульсов, первый делитель частоты, второй компаратор и интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, второй вход - к аноду полупроводникового диода, третий вход - к выходу генератора тактовых импульсов, входу первого делителя частоты и входу блока перемешивания, четвертый вход - к соответствующему выходу источника опорных напряжений, первый выход - к цифровому индикатору, второй выход - к катоду полупроводникового диода и сигнальным входам первого и второго компараторов выход первого компаратора подключен к входу первого фильтра нижних частот и первому входу формирователя импульсов, второй вход которого соединен с кнопкой"Пуск", третий вход - с выходом второго компаратора и входами регулируемых источников тока, первый выход подключен к входу сброса счетчика импульсов, а второй выход - к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого делителя частоты, при этом вход сравнения второго компаратора подключен к соответствующему выходу источника опорных напряжений. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения влияния помех перемешивания на точность измерений и уменьшения объема пробы путем синхронизации процесса перемешивания исследуемого объекта со съемом измерительной информации, блок перемешивания содержит последовательно соединенные второй делитель частоты, вход которого является входом блока перемешивания, второй фильтр нижних частот, регулируемый фазовращатель и усилитель мощности, выход которого подключен к входу питания синхронного электродвигателя. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь импульсов содержит второй и третий элементы И, четыре одновибратора и RS-триггер, при этом первый вход второго элемента И является первым входом формирователя импульсов, второй вход второго элемента И подключен к выходу первого одновибратора, а выход - к входу запуска второго одновибратора и одновременно является вторым выходом формирователя импульсов, выход второго одновибратора соединен с входом сброса RS-триггера, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого является вторым входом формирователя импульсов и одновременно подключен к входу запуска третьего одновибратора, выход которого соединен с входом установки единицы RS-триггера, третий вход третьего элемента И является третьим входом формирователя импульсов, а его выход соединен с входами запуска первого и четвертого одновибраторов, выход четвертого одновибратора является первых выходом формирователя импульсов.