УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ Российский патент 1996 года по МПК G01N33/50 A61B5/14 

Изобретение для измерения времени свертывания крови относится к области медицины, может быть использовано как измеритель времени свертывания (ИВС) крови, например для исследования характеристик крови, в частности ее свертываемости.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является выбранный в качестве прототипа измеритель времени свертывания крови
US, патент N 3635678, НКИ 436 69, опубл. 23.06.72.

Известное устройство для измерения времени свертываемости крови содержит счетчик времени, запускаемый по первому входу, вторым входом подключенный к анализатору выходного сигнала, термостатируемый корпус с углублением для размещения ампулы, содержащей исследуемый препарат, и размещенную в корпусе систему полюсных наконечников магнитов снаружи от ампулы, внутри которой помещен шар из ферромагнитного материала.

При использовании рассмотренного устройства требуемый технический результат не достигается по следующим причинам:
снижение точности обусловлено наличием возвратно-поступательного движения механической системы. Частота такого колебания не может быть достаточно большой, что потребовало бы увеличения исходного значения силы магнитного взаимодействия и привело бы к снижению чувствительности устройства. Снижение частоты колебаний ампулы приводит к тому, что дискрет отсчета времени свертываемости увеличивается и соответственно снижается точность отсчета. Кроме того, затруднено точное определение момента начала химической реакции, поскольку в ампуле с малым зазором между ее стенками и шаром перемешивание взаимодействующих реактивов и установление шара в исходное положение происходит достаточно медленно, что снижает точность отчета времени свертывания. Кроме того, образование тромба в нижней части ампулы и выпадение его в осадок на дне не фиксируется прибором, что также снижает точность измерений;
снижение надежности вызвано наличием механической колебательной системы;
снижение функциональной гибкости выражается в том, что соотношение диаметра ампулы и шара, а также сила магнитного взаимодействия однозначно определяются параметрами исследуемой жидкости. Таким образом, устройство не допускает электрического регулирования параметров для расширения классов исследуемых жидкостей;
снижение удобства эксплуатации обусловлено затруднением равномерного перемешивания реактивов и эвакуации шара из ампулы.

Соответственно при осуществлении заявляемого изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении:
высокой технологичности и низкой стоимости устройства;
высокой чувствительности, точности, надежности и помехозащищенности;
функциональной гибкости, позволяющей регистрировать время процесса увеличения вязкости жидкостей с различными и физико-химическими характеристиками;
удобства эксплуатации, в том числе облегчения перемешивания реагентов и эвакуации шара из ампулы;
малого энергопотребления и габаритов.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 принцип формирования сигнала при различных положениях шара относительно приемной катушки.

Устройство, как показано на фиг. 1, содержит счетчик времени 1, анализатор 2 выходного сигнала, термостатируемый корпус 3, ампулу 4, полюсные наконечники (сердечники) 5 электромагнитов, шар 6 из ферромагнитного материала, первый генератор 7 переменного тока, второй генератор 8 импульсов постоянного тока, передающая 9 и приемная 10 катушки индуктивности и обмотки 11 электромагнитов, причем счетчик 1 времени, запускаемый по первому входу, вторым входом подключен к анализатору 2 выходного сигнала, в термостатируемом корпусе 3 размещена ампула 4 с исследуемым препаратом и система полюсных наконечников 5 магнитов снаружи от ампулы 4, внутри которой помещен шар 6 из ферромагнитного материала, кроме того, в корпусе 3 под дном ампулы 4 размещены передающая 9 и приемная 10 катушки индуктивности, подключенные первыми выводами к общей шине, а вторым соответственно к первому генератору 7 переменного тока и к анализатору 2 выходного сигнала, а обмотки 11 электромагнитов подключены к соответствующим выходам второго генератора 8 импульсов постоянного тока. Следует пояснить, что на фиг. 1 плоскости сечения проведены вертикально через центральные оси полюсных наконечников и затем развернуты во фронтальную плоскость для удобства изображения.

Работа устройства основана на перемагничивании шара 6 из ферромагнитного материала магнитным переменным полем передающей катушки 9 и соответствующем индуцировании ЭДС в приемной катушке 10. Шар совершает круговое движение по дну ампулы 4 под действием вращающегося магнитного поля полюсных наконечников 5 электромагнитов. Эффект вращения поля обусловлен тем, что обмотки 11 электромагнитов запитываются импульсами постоянного тока, поочередно последовательно распределенными во времени на выходах второго генератора 8. Поэтому шар 6 притягивается к намагниченному в данный момент полюсному наконечнику 5, прокатывается мимо него по инерции. Затем генератор 8 импульсов постоянного тока подключается к следующей по ходу движения шара 6 обмотке 11 электромагнита и шар 6 перекатывается к следующему полюсному наконечнику 5, совершая в результате непрерывное движение по круглому плоскому дну ампулы 4.

Когда шар 6 находится у края приемной катушки 10, то создаваемый им переменный поток магнитного поля пронизывает ее в одном направлении, приводя к формированию индуцируемой ЭДС. Когда шар 6 перемещается к средней части приемной катушки 10, его магнитный поток симметрично пронизывает ее части в противоположных направлениях, что, очевидно, приводит к компенсации формируемых в ней ЭДС и обнулению результирующего сигнала приемной катушки 10. Таким образом, при движении шара 6 по дну ампулы 4 выходной сигнал непрерывно изменяется по амплитуде. С образованием сгустка (тромба) шар 6, встретив препятствие, останавливается и амплитуда выходного сигнала перестает изменяться, что фиксируется блоком 2 анализа выходного сигнала как окончание исследуемого процесса и сопровождается поступлением импульса окончания счета по входу 1 счетчика времени 1. Запуск счетчика 1 производится внешним сигналом по входу 2.

Чувствительность такого устройства определяется способностью реагировать на появление достаточно малых сгустков. Она может оцениваться, например, соотношением объемов плотной (вязкой) и жидкой фазы, при котором происходит остановка шара 6 и срабатывание устройства (остановка счетчика времени 1). Отметим, что в отличие от прототипа, где успевший осесть на дно сгусток не фиксировался, в предлагаемом устройстве как раз дно ампулы 4 является зоной наибольшей чувствительности. При этом за счет частичного увлечения движением шара 6 раствор в ампуле вовлекается во вращательное движение и образовавшийся сгусток за счет центробежных сил вытесняется из центральных участков дна на окраинные, контролируемые шаром 6. При этом допускается регулировка чувствительности выбором силы тока, запитывающего обмотки 11 электромагнитов, подбором длительности этих импульсов и частоты их следования. Так, уменьшение намагниченности полюсных наконечников 5 при понижении тока обмоток 11 электромагнита уменьшает силу магнитного притяжения шара 6 и, следовательно, приведет к его остановке сгустком меньшего размера, т.е. сделает устройство более чувствительным.

Точность устройства определяется временем его реагирования на изменение свойств исследуемой жидкости. Точность, очевидно, тем выше, чем больше частота вращения шара 6 в ампуле 4, чем чаще происходит переход шара из области, где выходной сигнал минимален, в область с его максимальным значением. Кроме того, повышение точности обеспечивается за счет повышения уровня модуляции выходного сигнала, т.е. за счет увеличения разности между максимальным и минимальными значениями выходного сигнала. Это объясняется тем, что при меньшем уровне модуляции требуется большее время, чтобы с определенной достоверностью принять решение об остановке шара 6.

Кроме того, если приемная катушка 10 образована последовательным соединением двух встречно включенных, намотанных на тонком плоском каркасе катушек с промежутком между ними в средней части каркаса, причем плоскость каркаса лежит в поперечной плоскости симметрии передающей катушки 9, то минимальное значение ЭДС индуцируется при прохождении шара 6 у края системы приемных катушек 10. Действительно, магнитный поток шара 6 по-прежнему пронизывает эти катушки 10 в одном направлении, но их встречное включение приводит к противофазности формируемых в них ЭДС, что уменьшает результирующее значение ЭДС. При расположении шара 6 между приемными катушками 10 магнитный поток шара пронизывает их встречно-симметрично. С учетом встречного электрического включения катушек результирующая ЭДС максимальна.

Встречное соединение приемных катушек 10 обеспечивает компенсацию внешних помех и прямого прохождения возбуждающего сигнала. Ортогонально-симметричное расположение этих катушек относительно передающей катушки 11 обеспечивает дополнительную компенсацию прямого прохождения возбуждающего сигнала, что также повышает точность, помехоустойчивость и помехозащищенность устройства.

При выполнении корпуса 3 из немагнитного электропроводящего материала обеспечивается экранировка приемных катушек 10 от внешних помех. Обмотки 11 электромагнитов вынесены за пределы корпуса 3 для уменьшения потерь за счет полей рассеяния, причем при числе электромагнитов меньшем трех, как показали испытания, не обеспечивается устойчивое вращение шара 6 по дну ампулы 4.

Разрезом стенки корпуса 3 устраняется возможность образования замкнутого контура, формирующего противодействующую ЭДС самоиндукции. Тем не менее, локальные контуры, генерирующие токи Фуко в проводящем материале, сохраняются. Они используются для дополнительного снижения ампулы наводимой ЭДС в приемных катушках 10. Действительно, выходной сигнал минимален, когда шар 6 находится у края системы приемных катушек 10, в положении "а" на фиг. 1. Расположенная вблизи шара 6 проводящая стенка корпуса 3 вносит дополнительные потери в процессе его перемагничивания и индуцирования ЭДС в приемной катушке 10. Максимальная ЭДС индуцируется, когда шар 6 находится в области промежутка между приемными катушками 10 в положении "б" на фиг. 1. Поэтому если приемные катушки 10 повернуты промежутком между ними к разрезу стенки корпуса 3, где токи Фуко не формируются, то влияние стенки не проявляется и амплитуда выходного сигнала не уменьшается. Таким образом, увеличивается уровень модуляции выходного сигнала, что повышает точность, помехоустойчивость и помехозащищенность устройства. Кроме того, шар 6 выполнен из магнитомягкого материала, что повышает эффективность формирования выходного сигнала, что позволяет снизить уровень возбуждающей мощности и соответственно синфазной помехи.

Увеличение числа электромагнитов повышает точность отсчета времени и достоверность результатов. Это объясняется тем, что остановленный сгустком шар 6 может еще перемещаться близлежащим полюсным наконечником 5 с амплитудой, пропорциональной намагниченности последнего. Это движение может фиксироваться устройством как вращение шара 5. При увеличении числа электромагнитов намагниченность отдельного наконечника 5 может быть, очевидно, уменьшена, что снизит амплитуду паразитных колебаний шара 6 и возможность ложных срабатываний устройства.

При наклоне оси ампулы так, чтобы шар занимал исходное положение перед тем полюсным наконечником (по ходу вращения), который первым приводится в намагниченное состояние при включении устройства, шар сразу вовлекается в устойчивое движение по кругу в нужную сторону, т.е. в направлении, соответствующем вращению магнитного поля. В противном случае, т.е. при начале вращения в противоположную сторону, движение будет неустойчивым и шар может самопроизвольно остановиться перед изменением направления вращения. Это привело бы к ложным срабатываниям и понижению помехоустойчивости устройства и достоверности полученных результатов.

Отметим, что тот же результат, как и при наклоне ампулы 4, может быть получен за счет введения постоянного подмагничивания "первого" (в выше поясненном смысле) полюсного наконечника 5 в паузах работы устройства. При этом шар 6 будет за счет сил магнитного притяжения перед началом работы устройства установлен в нужном исходном положении.

Сужение на конце полюсных наконечников 5 при выполнении корпуса 3 из немагнитного материала способствует повышению неоднородности поля и увеличению силы притяжения шара 6, что позволяет уменьшить ток питания электромагнитов, повысить экономичность устройства. Эксцентричность (асимметричность) концов наконечников 5 позволяет вращением оптимизировать их высоту над дном ампулы 4 и соответственно направление вектора тянущей силы применительно к заданной чувствительности, диаметру шара 6 и свойствам исследуемой жидкости. Так, наличие восходящей компоненты тянущей силы электромагнита уменьшает чувствительность устройства, поскольку облегчает перекатывание шара 6 через препятствие. Это может быть использовано для задания порога срабатывания, повышения помехоустойчивости и надежности устройства, достоверности результатов. Следует также отметить, что эксцентричность (асимметричность) концов полюсных наконечников 5 повышает устойчивость вращения шара 6 в нужную сторону за счет создания асимметричности тянущего магнитного поля, согласованной с направлением его вращения в ампуле 5. При симметричной картине поля у наконечника 5 шар 6 может вовлечься в движение в направлении, противоположном вращению магнитного поля, при неблагоприятном начальном положении шара 6. Для повышения устойчивости начального запуска шара 6 ось ампулы 4 имеет такой наклон, чтобы шар 6 занимал исходное положение перед тем полюсным наконечником 5 (по ходу вращения), который первым приводится в намагниченное состояние при включении устройства. Возможность более широкого изменения ориентации полюсных наконечников 5, очевидно, обеспечивает достижение потенциально возможных параметров устройства в части надежности, чувствительности, точности и других связанных с этим параметров.

Выполнение переменного тока, формируемого первым генератором в виде коротких импульсов, обеспечивает возможность увеличения пиковой мощности возбуждающего излучения для повышения амплитуды выходного сигнала и помехозащищенности устройства. Одновременно это позволяет повысить его надежность, уменьшив число витков приемных катушек 10 и, увеличив сечение намоточного провода, не изменяя геометрических параметров приемно-передающей системы, к которым критично устройство. Для обоснования указанной критичности отметим, что эффективная связь магнитного поля рассеяния шара 6 с приемными катушками 10 осуществляется на расстоянии меньшем радиуса шара 6, поэтому целесообразно уменьшать это расстояние, придвигая приемные катушки 10 вплотную к дну ампулы 4. При этом в условиях резкого уменьшения поля с удалением шара 6 от приемных катушек 10 оказывается, что эффективно работают лишь ближние к шару 6 слои обмоток, что ставит определенные ограничения на толщину приемных катушек. Отметим также, что при возбуждении коротким импульсов сигнал приемных катушек 10 имеет вид затухающего радиоимпульса. Таким образом, при достаточно большой амплитуде процесс такого перемагничивания шара 6 сопровождается его размагничиванием, что повышает устойчивость кругового движения шара 6 (замечено, что намагниченный шар 6 сцепляется с полюсным наконечником 5 и выбивается из циклического вращения). Этим повышается надежность работы устройства.

Приведем обоснование зависимости достигаемого технического результата заявляемого устройства от его существенных признаков. Как отмечалось выше, геометрия предложенного устройства обеспечивает возможность быстрого реагирования на достаточно малые образования с повышенной вязкостью, что повышает его чувствительность и точность. Предложенное расположения приемной 10 и передающей 9 катушек относительно ампулы 4, соотношение их размеров обеспечивает эффективное взаимодействие элементов устройства: передающей катушки 9 с шаром 6 и шара 6 с приемной катушкой 10. Выполнение корпуса 3 из электропроводного немагнитного материала, встречное включение приемных катушек 10, их ортогонально-симметричное расположение относительно передающей катушки 9, разрез стенки корпуса 3 в области промежутка между приемными катушками 10 все это обеспечивает повышение точности, помехоустойчивости, помехозащищенности и надежности работы предлагаемого устройства. Этот же результат обеспечивается выполнением шара 6 из магнитомягкого материала и выбором формы тока, формируемого первым генератором в виде коротких импульсов. Повышение точности и достоверности полученных отсчетов времени обеспечивается также увеличением числа электромагнитов.

Дополнительное повышение надежности обусловлено отсутствием элементов с механическим приводом.

Кроме того, размер шара 6 может варьироваться в широких пределах от близкого к диаметру ампулы 4 до в несколько раз меньшего. Последнее облегчает эвакуацию шара 6 из ампулы 4, упрощает перемешивание реагентов в ампуле 4, что повышает удобство эксплуатации устройства, в том числе его стерилизацию.

Кроме того, обеспечение функциональной гибкости, позволяющей регистрировать время процесса увеличения вязкости жидкостей с различными физико-химическими характеристиками, достигается регулировкой амплитуды импульсов постоянного тока, подаваемых с выходов второго генератора на обмотки электромагнитов, а также чистотой следования и длительностью этих импульсов. Отметим также, что предложенное устройство позволяет исследовать жидкости с небольшой прозрачностью, что недоступно прототипу. Чувствительность устройства регулируется как поворотом полюсных наконечников 5 вокруг своей оси в корпусе 3, так и изменением амплитуды, длительности и частоты следования импульсов постоянного тока, запитывающих обмотки 11 электромагнитов, что также говорит о повышении функциональной гибкости устройства.

При изготовлении устройства используется простая традиционная технология намотки катушек, все его элементы достаточно компактны, что позволяет обеспечить приемлемые габариты устройства.

Импульсное возбуждение передающей катушки 9 обеспечивает малое энергопотребление.

(57) Устройство для измерения времени свертывания (УИВС) крови относится к устройствам для исследования характеристик крови, в частности ее свертываемости. УИВС содержит счетчик времени, анализатор выходного сигнала, термостатируемый корпус, ампулу, полюсные наконечники (сердечники) электромагнитов, шар из ферромагнитного материала, первый генератор переменного тока, второй генератор импульсов постоянного тока, передающую и приемную катушки индуктивности и обмотки электромагнитов, причем счетчик времени, запускаемый по первому входу, вторым входом подключен к анализатору выходного сигнала, в термостатируемом корпусе размещена ампула с исследуемым препаратом и система полюсных наконечников магнитов снаружи от ампулы, внутри которой помещен шар из ферромагнитного материала, кроме того, в корпусе под дном ампулы размещены передающая и пpиемная катушки индуктивности, подключенные первыми выводами к общей шине, а вторыми - соответственно к первому генератору переменного тока и к анализатору выходного сигнала, а обмотки электромагнитов подключены к соответствующим выходам второго генератора импульсов тока. Кроме того, передающая катушка имеет внутренний диаметр не меньше наружного диаметра ампулы, их оси параллельны друг другу и перпендикулярны оси приемной катушки, длина которой не больше наружного диаметра ампулы, причем приемная катушка образована последовательным соединением двух встречно включенных, намотанных на тонком плоском каркасе катушек с промежутком между ними в средней части каркаса, плоскость которого лежит в поперечной плоскости симметрии передающей катушки. Кроме того, введено не менее трех электромагнитов, причем корпус изготовлен из немагнитного электропроводящего материала и имеет сквозной разрез в одной из стенок, причем приемные катушки повернуты промежутком между ними к разрезу стенки корпуса, а шар выполнен из магнитомягкого материала. При осуществлении заявляемого изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении высокой технологичности, чувствительности, надежности, помехозащищенности, функциональной гибкости, а также удобства эксплуатации. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения времени свертывания крови, содержащее счетчик времени, первый вход которого является входом запуска, а второй вход подключен к анализатору выходного сигнала, термостатируемый корпус с углублением для размещения ампулы, содержащей исследуемый препарат, и размещенную в корпусе систему полюсных наконечников электромагнитов снаружи от ампулы, внутри которой помещен шар из ферромагнитного материала, отличающееся тем, что в него введены генератор переменного тока, генератор импульсов постоянного тока и размещенные в корпусе под дном ампулы передающая и приемная катушки индуктивности, подключенные первыми выводами соответственно к генератору переменного тока и к анализатору выходного сигнала, а вторыми к общей шине, причем обмотки электромагнитов подключены к соответствующим выходам генератора импульсов постоянного тока. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что передающая катушка имеет внутренний диаметр на меньше наружного диаметра ампулы, их оси параллельны друг другу и перпендикулярны оси приемной катушки, длина которой не больше наружного диаметра ампулы. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемная катушка образована последовательным соединением двух встречно включенных, намотанных на тонком плоском каркасе катушек с промежутком между ними в средней части каркаса. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоскость каркаса приемных катушек лежит в поперечной плоскости симметрии передающей катушки. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит не менее трех электромагнитов, причем корпус изготовлен из немагнитного электропроводящего материала и имеет сквозной разрез в одной из стенок, причем приемные катушки повернуты промежутком между ними к разрезу стенки корпуса, а шар выполнен из магнитомягкого материала. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ось ампулы имеет наклон по отношению к оси электромагнита. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полюсные наконечники выполнены с возможностью изменения их ориентации в корпусе и имеют эксцентричное асимметричное сужение на концах, примыкающих к стенке ампулы. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор переменного тока выполнен в виде генератора коротких импульсов.