СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЯЗКОСТИ СУСПЕНЗИИ Российский патент 1999 года по МПК A61B8/00 A61B8/06 G01N33/48 

Изобретение относится к медицине, точнее к области техники, предназначенной для измерения физических показателей крови.

Известные способы измерения вязкости жидкости, в том числе и суспензий, основаны на механическом взаимодействии исследуемой жидкости с каким-то внешним предметом, например по стенкой сосуда, из которого вытекает исследуемая жидкость, или с телом, перемещающимся или колеблющимся в жидкости, как это имеет место в известных визкозиметрах.

Приборы для измерения вязкости биологических жидкостей, в частности крови, известны давно и описаны, например, в обзоре известного биофизика R.E. Wells "Viscometry of blood" в сборнике "Engineering in the practice of medicine", Baltimore, 1967, Williams & Wilkins Co. (стр. 373 - 379). Обычно обсуждают три основных типа вискозиметров; капиллярный вискозиметр, вискозиметр типа конус-плоскость, вискозиметр на коаксиальных цилиндрах.

В капиллярном вискозиметре исследуемая жидкость вытекает из капилляра при постоянном давлении, а вязкость жидкости определяют по измеренному расходу, перепаду давлений, длине и радиусу капилляра. Данный прибор прост, надежен и не требует сложных регулировок, однако он плохо пригоден для неньютоновских жидкостей, которые могут вообще не протекать через малые отверстия.

Для измерения неньютоновских жидкостей, к которым, в частности, относится и кровь, обычно используют либо вискозиметр типа конус-плоскость, в котором пробу жидкости помещают между обращенным вниз вершиной конусом с большим (близким к 180^o) углом раскрыва и плоским дном и стенками сосуда, либо вискозиметр на коаксиальных цилиндрах, в котором пробу жидкости помещают в узкий зазор между двумя соосными цилиндрами. Более надежным считается вискозиметр типа конус-плоскость, для которого требуется весьма малый (не более 3 мл) объем жидкости, который допускает меньшую тщательность при относительном размещении конуса и нижнего сосуда и в котором меньше сказываются эффекты изменения свойств крови вне организма. В таком вискозиметре вязкость крови находят согласно определению как коэффициент пропорциональности между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига. Сдвиговое напряжение, возникающее из-за влияния исследуемой жидкости на вращение конуса, находят по деформации (угловому закручиванию) упругого элемента, приводящего конус во вращение, в скорость сдвига из скорости вращения конуса. Достоинством такого прибора является то, что он может измерять вязкость при самых различных скоростях сдвига, для этого следует только изменить скорость вращения.

Применение такого вискозиметра, а также других, в медицинской практике для измерения вязкости крови связано с рядом неудобств: во-первых, приходится вскрывать какой-то кровеносный сосуд для отбора пробы, что чревато опасностью внесения инфекции, во-вторых, свойства крови вне организма быстро изменяются, и необходимо принимать специальные меры для сохранения пробы крови в неизменном состоянии, в частности поддерживать неизменной температуру пробы крови, и, в-третьих, сам процесс измерения в совокупности со всеми необходимыми действиями оказывается достаточно длительным, в лучшем случае он занимает не менее десяти минут, из-за чего ряд проб крови (до 25%), в особенности, взятых у больных пациентов или у людей в стрессовом состоянии, оказываются непригодными для измерений из-за осаждения эритроцитов.

Предлагаемый способ измерения эффективной вязкости суспензии, в том числе вязкости крови, свободен от указанных недостатков, при измерении вязкости крови обеспечивает измерения in vivo, и может быть использован при измерении эффективной вязкости любой суспензии, содержащей взвешенные частицы достаточно больших размеров (более 1 - 2 мкм).

Задачей настоящего изобретения является создание возможности неинвазивного измерения вязкости крови in vivo.

Поставленная задача достигается измерением доплеровского спектра ультразвукового сигнала, отраженного от эритроцитов крови, протекающей в исследуемом сосуде, и сопоставлением измеренного спектра с рядом опорных спектров, хранящихся в памяти сравнивающего устройства.

Способ осуществляется следующим образом.

В пульсирующем потоке жидкости создают поле механических колебаний такой частоты, чтобы происходило рассеяние механических колебаний взвешенными частицами суспензии. Затем осуществляют прием и регистрацию механических волн, рассеянных на частицах суспензии.

Далее проводят выделение спектра доплеровских частот, возникших при рассеянии механических волн на подвижных частицах суспензии или взвеси, и определение по доплерограмме характеристик временной зависимости процесса течения жидкости с последующим вычислением ряда опорных спектров доплеровского сигнала, возникающих при рассеянии механических колебания на частицах суспензии, совершающей пульсирующие движения в таком же сосуде и с такими же временными характеристиками, что и исследуемая жидкость, но при различных значениях вязкости.

После этого выполняют сравнение измеренного в определенные моменты времени спектра доплеровских частот с рядом вышеуказанных опорных спектров доплеровского сигнала для определения наилучшего совпадения измеренного спектра с одним из опорных спектров.

Согласно предлагаемому способу за эффективную вязкость суспензии принимают то значение вязкости жидкости, при котором опорный спектр наилучшим образом совпадает с измеренным спектром доплеровского сигнала.

Пример конкретного осуществления способа приведен для измерения вязкости крови в общей бедренной артерии (arteria common femoral).

На фиг. 1 представлена временная зависимость средней по сечению скорости крови в артерии от времени в течение одного сердечного цикла, измеренная по доплерограмме, и отмечены измеренная частота сокращений сердца (HR) и диаметр артерии (D). Разложение приведенной кривой в ряд Фурье дает коэффициент Фурье a_p и ϕ_p, определяющие временные характеристики пульсирующего движения крови в артерии. В таблице приведены первые восемь коэффициентов Фурье, нормированных на равное 1 значение нулевой гармоники.

Используя известные (Evans DH, Ultrasound Med Biol, v.8, p. 617-632) формулы, по коэффициентам таблицы 1 легко рассчитать профиль скорости крови в артерии в любой момент времени. В качестве примера на фиг. 2 приведены профили скорости крови в общей бедренной артерии для момента систолы при вязкости крови 0,030 (кривая 1) и 0,050 Ст (кривая 2).

Поскольку распределение эритроцитов по сечению артерии однородно, то легко определить относительное число рассеивателей механических колебаний (в данном случае - эритроцитов) в тонком цилиндрическом слое между радиусами r и r + dr, которое представляет относительную интенсивность доплеровского сигнала на частоте, определяемой скоростью в точке сечения, отстоящей на расстояние г от оси артерии. Таким образом, по профилю скорости, вычисленному для определенной вязкости, не трудно построить соответствующий спектр доплеровского сигнала. На фиг. 3 приведены спектры, построенные для общей бедренной артерии при вязкости крови 0,030 (кривая 1) и 0,050 Ст (кривая 2). Это опорные спектры для указанных значений вязкости.

Отметим, что приведенная процедура на самом деле является упрощенной иллюстрацией, подробно метод вычисления спектра доплеровского сигнала изложен в работе Brody WR, Meindl JD, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 1974, vol. BME-21, N 3, p. 183 - 192.

Последним этапом предложенного метода является сравнение, например по минимальному среднеквадратичному расхождению измеренного спектра (кривая 3 на фиг. 3) с опорными спектрами, в данном примере видно, что измеренный спектр ближе к случаю ν 0,030.

Способ может быть использован в медицине. Измеряют спектр доплеровского ультразвукового сигнала, отраженного от эритроцитов крови, протекающей в исследуемом сосуде и выполняют сравнение измеренного спектра с рядом опорных спектров, измеренных при определенной вязкости крови в данном сосуде и за эффективную вязкость принимают то значение, при котором опорный спектр наилучшим образом совпадает с измеренным. Способ обеспечивает неинвазивность исследования. 1 табл., 3 ил.

Способ измерения эффективной вязкости крови, отличающийся тем, что in vitro измеряют спектр доплеровского ультразвукового сигнала, отраженного от эритроцитов крови, протекающей в исследуемом сосуде, и выполняют сравнение измеренного спектра с рядом опорных спектров, измеренных при определенной вязкости крови в данном сосуде, и за эффективную вязкость крови принимают то значение вязкости крови, при котором опорный спектр наилучшим образом совпадает с измеренным спектром доплеровского сигнала.