МЕДИЦИНСКОЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПОТОКА ЧЕРЕЗ КАПИЛЛЯР Российский патент 2004 года по МПК A61B5/00 B01L3/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к медицинскому диагностическому устройству, которое содержит элемент для регулирования потока жидкости через устройство, а более точно, к диагностическому устройству с регулированием потока жидкости через стопорное соединение.

Предшествующий уровень техники

Множество медицинских диагностических методов включает проведение анализов биологических жидкостей, например крови, мочи или слюны, для определения концентрации анализируемого вещества в жидкости. При этом измеряют ряд физических параметров - механических, оптических, электрических биологической жидкости.

Среди анализируемых веществ, представляющих наибольший интерес, находится глюкоза. Сухие полоски с реагентом, содержащие составы на основе фермента, широко используют в клинических лабораториях, врачебных кабинетах, больницах и в домашних условиях для анализа проб биологических жидкостей на концентрацию глюкозы. Полоски с реагентом фактически стали повседневной необходимостью для многих миллионов людей, больных диабетом. Так как диабет может вызвать серьезные отклонения в биохимии крови, то он может способствовать потере зрения, почечной недостаточности и другим серьезным осложнениям. Чтобы свести к минимуму риск последствий, большинство людей, больных диабетом, должны периодически проверять глюкозу крови, а затем соответственно регулировать концентрацию глюкозы, например, посредством диеты, физических упражнений и/или инъекций инсулина. Некоторые больные должны проверять концентрацию глюкозы в крови четыре или более раз в день.

Система одного типа для измерения концентрации глюкозы является электрохимическим и обнаруживает окисление содержащейся в крови глюкозы на сухой полоске с реагентом. Реагент обычно содержит фермент, например, глюкозооксидазу или глюкозодегидрогеназу, и окислительно-восстановительный медиатор, например, ферроцен или феррицианид. Измерительная система этого типа раскрыта в патенте США 4224125 и патенте США 4545382.

В публикации WO 9718464 А1 раскрыто электрохимическое устройство для измерения концентрации глюкозы в крови, которое содержит два металлизированных полиэтилентерефталатных (ПЭТФ) слоя, между которыми размещен покрытый клеем полиэтилентерефталатный промежуточный слой. Металлизированные слои образуют первый и второй электроды, а вырез в покрытом клеем слое образует электрохимическую ячейку. Ячейка содержит реагент, который реагирует с глюкозой в пробе в пробе крови. Устройство выполнено удлиненным, и проба вводится во входное отверстие на одной из продольных сторон.

Электрохимические устройства для измерения концентрации глюкозы в крови, а также другие медицинские диагностические устройства, используемые для измерения концентраций анализируемых веществ или свойств биологических жидкостей, обычно требуют перемещения жидкости от входного отверстия для пробы к одной или нескольким частям устройства. Проба обычно течет через капиллярные каналы между двумя расположенными с зазором поверхностями.

В ряде патентов, указанных ниже, раскрыты медицинские диагностические устройства.

В патенте США 4254083 раскрыто устройство, содержащее входное отверстие для пробы, выполненное для облегчения поступления капли пробы жидкости в устройство посредством образования сложного мениска на капле.

В патенте США 4426451 раскрыто многозонное жидкостное устройство, которое имеет средство для регулирования потока жидкости между зонами, приводимое в действие давлением. Это устройство позволяет использовать разность давлений на мениск жидкости у границы раздела между первой зоной и второй зоной, которая имеет другое поперечное сечение. Когда первая и вторая зоны находятся под атмосферным давлением, поверхностное натяжение в мениске создает противодавление, которое останавливает перемещение мениска жидкости от первой зоны ко второй. Конфигурация этой границы раздела или "стопорного соединения" такова, что жидкость течет во вторую зону только при приложении к жидкости созданного снаружи давления в первой зоне, которое достаточно для проталкивания мениска во вторую зону.

В патенте США 4868129 указано, что противодавление в стопорном соединении может быть преодолено гидростатическим давлением на жидкость в первой зоне, например, наличием столба жидкости в первой зоне.

В патенте США 5230866 раскрыто жидкостное устройство с многочисленными стопорными соединениями, в котором противодавление, вызванное поверхностным натяжением, в стопорном соединении усиливается, например, захватом и сжатием газа во второй зоне. Затем сжатый газ может быть выпущен до приложения дополнительного гидростатического давления к первой зоне, чтобы заставить жидкость течь во вторую зону. Изменяя параллельно противодавление многочисленных стопорных соединений, можно образовать "разрывные соединения", имеющие меньшее максимальное противодавление.

В патенте США 5472603 или патенте США 5627041 раскрыто использование центробежной силы для преодоления противодавления в стопорном соединении. Когда поток останавливается, первая зона находится под атмосферным давлением плюс давление от действия центробежной силы, которое меньше, чем давление, необходимое для преодоления противодавления. Вторая зона находится под атмосферным давлением. Чтобы возобновить поток, к первой зоне прилагают дополнительное давление, вызванное центробежной силой, преодолевающее противодавление мениска. Вторая зона остается под атмосферным давлением.

В патенте США 6011307 раскрыты устройство и способ для анализа пробы, который включает всасывание пробы в устройство и взаимодействие пробы с реагентом в аналитической части. Анализ проводится оптическим или электрохимическим средством. В альтернативных вариантах имеется множество аналитических частей и/или перепускной канал. Поток между этими частями уравновешивают без использования стопорных соединений.

В патенте США 5700695 раскрыто устройство для отбора и обработки биологической жидкости, в котором используется "тепловая напорная камера" для создания движущей силы для перемещения пробы через устройство.

В патенте США 5736404 раскрыт способ определения времени свертывания пробы крови, в котором подвергают вибрации конец пробы в канале. Вибрацию осуществляют поочередным увеличением и уменьшением давления на пробу.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание медицинского диагностического устройства для измерения концентрации анализируемого вещества в биологической жидкости, в котором осуществляется регулирование потока через стопорное соединение, которое является угловым в направлении потока, что позволяет жидкости в канале прорывать стопорное соединение, когда имеется необходимый перепад давления через стопорное соединение.

Поставленная задача решается путем создания диагностического устройства для измерения концентрации анализируемого вещества в биологической жидкости, содержащего капиллярный проточный канал, сообщающийся с входным отверстием для ввода пробы и выполненный с возможностью перемещения пробы биологической жидкости в первом направлении от первого участка, проксимального к входному отверстию для ввода пробы жидкости, ко второму участку, дистальному к входному отверстию для ввода пробы, при этом первый участок имеет размер капилляра в направлении, перпендикулярном к первому направлению, стопорное соединение, содержащее граничный участок, разделяющий первый и второй участки, имеющий размер в направлении, перпендикулярном к первому направлению, который больше, чем размер капилляра, и образующий угол, вершина которого направлена к первому участку.

Следует отметить, что на сопровождающих чертежах показаны капилляры, ограниченные параллельными пластинами. В этом случае “направление, перпендикулярное к первому направлению" имеет свой размер капилляра. Капилляры согласно изобретению могут быть цилиндрическими. В этом случае направление, перпендикулярное к первому направлению, является радиальным в плоском круге, который перпендикулярен к направлению потока жидкости.

Полезно, чтобы устройство дополнительно содержало на втором участке зону измерения физического параметра пробы, который соответствует концентрации анализируемого вещества в жидкости.

Предпочтительно, чтобы устройство содержало первый слой и второй слой, разделенные во втором направлении промежуточным слоем, в котором вырез образует с первым и вторым слоями входное отверстие для ввода пробы, зону измерения и проточный канал.

Выгодно, чтобы второй участок имел размер в направлении, перпендикулярном к первому направлению, равный размеру капилляра.

Целесообразно, чтобы указанный граничный участок содержал рисунок, который выгравирован в поверхности первого слоя.

Предпочтительно, чтобы биологическая жидкость являлась электропроводящей, первый и второй слои имели проводящую поверхность, примыкающую к промежуточному слою, который является изолирующим слоем, а проточный канал дополнительно содержал сухой реагент на проводящей поверхности одного из слоев для взаимодействия с пробой, чтобы вызывать изменение электрического параметра, соответствующее концентрации анализируемого вещества в жидкости, и электрохимическую ячейку для измерения электрического параметра, а стопорное соединение содержало изолирующий рисунок, выгравированный в проводящей поверхности одного из слоев, посредством чего проба, которая течет поперек рисунка, образует проводящий путь от первого участка к второму участку.

Полезно, чтобы устройство дополнительно содержало третий участок и второе входное отверстие для ввода пробы на третий участок, сообщающийся со вторым участком, посредством чего жидкость, введенная в первое входное отверстие для пробы, перемещается в противоположном направлении к жидкости, введенной во второе входное отверстие для пробы.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает принцип действия "стопорного соединения" в устройстве согласно изобретению;

фиг.2-5 изображают направление потока жидкости в части устройства с регулированием потока жидкости через капилляр согласно изобретению;

фиг.6 изображает общий вид устройства с пространственным разделением элементов, согласно изобретению;

фиг.7 изображает устройство (вид сверху) согласно изобретению;

фиг.8 - разрез по линии VIII-VIII на фиг.7 согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

При протекании жидкости через канал неоднородность в поперечном сечении канала может привести к образованию "стопорного соединения", которое может остановить поток жидкости.

Стопорное соединение является результатом поверхностного натяжения, которое образует противодавление, останавливающее перемещение мениска жидкости через канал. Стопорное соединение ослабляется, и поток усиливается, когда передняя кромка мениска встречается с вершиной угла и затем растягивается вдоль сторон угла. Это может быть описано как "заострение" угла в направлении, противоположном направлению потока жидкости.

Медицинское диагностическое устройство согласно изобретению содержит проточный канал со стопорным соединением. Стопорное соединение является угловым в направлении потока, что позволяет жидкости в канале прорывать стопорное соединение, когда имеется необходимый перепад давления через стопорное соединение. Преимущества такого стопорного соединения с регулируемым прорывом очевидны из нижеследующего описания.

На фиг.1 показана часть диагностического устройства с регулированием потока жидкости через капилляр, которое имеет многослойную структуру. Верхний слой 12 и нижний слой 14 разделены промежуточным слоем 16. Вырез в промежуточном слое 16 образует канал 18. Бороздки 20 и 20А, выгравированные с нижней стороны слоя 12, образуют в канале 18 стопорные соединения 21 и 21А, соответственно. Проба S, введенная в канал 18 через входное отверстие 22 для пробы, останавливается, когда достигает стопорного соединения 21.

На фиг.2 и 3 показана часть диагностического устройства, где стопорные соединения 21 и 21А видоизменены посредством добавления зазубрин 24 и 24А, соответственно. Зазубрина 24 образует острый угол А, вершина которого обращена к входному отверстию 22 для пробы. На фиг.2 и 3 проба S показана непосредственно до и непосредственно после прорыва стопорного соединения 21. Следует отметить, что прорыв вначале происходит у вершины угла, который противоположен направлению потока жидкости. Зазубрины необходимы для усиления потока через стопорное соединение в капиллярном канале, усиление зависит от величины угла и длины сторон, образующих угол. Чем меньше угол и длиннее стороны, тем больше эффективность зазубрины. Таким образом, если угол будет небольшим, а стороны - длинными, то даже небольшой перепад гидравлического давления через зазубренную часть будет вызывать течение пробы через нее. Предпочтительнее, чтобы угол А был меньше, чем 90°, а ось симметрии совпадала с направлением потока в канале.

Стопорное соединение 21А имеет угол, вершина которого направлена к концу 26 канала 18, находящемуся напротив входного отверстия 22, для оказания пониженного сопротивления потоку пробы, который входит в конец 26. Если стопорное соединение должно оказывать пониженное сопротивление потоку, который входит в конец канала 18 и течет к другому концу, то тогда оба стопорных соединения 21 и 21А предпочтительно имеют больше, чем одну зазубрину при по меньшей мере одной зазубрине, заостренной в каждом направлении (фиг.6 и 7).

На фиг.4 и 5 показан поток пробы через канал 18 после прорыва стопорного соединения 21. Проба остановлена у стопорного соединения 21А. На фиг.5 проба прошла через стопорное соединение 21А на двух концах. Показано положение, которого достигает проба через короткое время, при этом проба пройдет через стопорное соединение 21А по всей ширине канала 18. Прорывы происходят потому, что хотя углы на двух концах больше, чем 90°, они меньше, чем дополнительный угол в центре зазубрины 24А.

На фиг.6 показан общий вид устройства 28 для измерения концентрации анализируемого вещества в биологической жидкости с пространственным разделением элементов, которое содержит капиллярный проточный канал 30 и стопорные соединения 32 и 32А согласно настоящему изобретению. Верхний изолирующий лист 34 имеет электропроводящее покрытие 36 поверхности, которое обычно выполнено из металла, нанесенного на поверхность изолирующего листа 34 вакуумным напылением, распылением металла, электролитическим способом или любым другим подходящим способом для образования проводящей поверхности. По продольным краям покрытия 36 выгравированы изолирующие бороздки 38 и 38А, проходящие по всей толщине покрытия 36 по нижней стороне листа 34 для образования промежутков в проводящем пути по ширине устройства.

Между проводящей поверхностью 36 верхнего изолирующего листа 34 и проводящей поверхностью 42 нижнего изолирующего листа 44 размещен промежуточный изолирующий слой 40, состоящий из термопластичного листа 44 с клеем на обеих поверхностях для склеивания листов 34 и 44. Канал 30 в промежуточном листе 40 образует между листами 34 и 44 с проводящими покрытиями первый конец 46, второй конец 48 и электрохимическую ячейку 50, которая расположена между двумя концами. Внутри капиллярного канала 30 на проводящей поверхности 42 имеется покрытие 49 из сухого реагента, состоящего из буфера, медиатора и фермента. Покрытие 49 из реагента может быть нанесено на проводящую поверхность 36 вместо поверхности 42 или в дополнение к ней. Электрохимическая ячейка 50 является областью, в которой измеряют электрический параметр сочетания из жидкости и реагента. Участок, куда нанесено покрытие из реагента, является ячейкой 50. Реагент и электрохимическая ячейка 50 могут быть ограничены участком внутри канала 30 и между выгравированными бороздками 38 и 39А. С другой стороны, покрытие из реагента может быть нанесено по всей поверхности между краями устройства.

На фиг.7 показан вид сверху устройства согласно изобретению. Выгравированные бороздки 38 и 38А разделяют проводящую поверхность 36 на три участка 36А, 36В и 36С, каждый из которых изолирован от двух других участков. Назначением выгравированных бороздок 38 и 38А является возможность осуществления электрического контроля за наполнением канала 30 пробой электропроводящей биологической жидкости. Контролируя электрическое сопротивление между примыкающими проводящими участками, например, 36А, 36В или 36С, 36В, можно определить, когда проба перекроет выгравированную бороздку 38 или 38А, которая расположена между участками. Выгравированные линии 38 и 38А образуют стопорные соединения в канале 30 и могли бы останавливать поток (фиг.1), если бы не зазубрины 52 и 52А. Следует отметить, что зазубрины 52 и 52А образуют углы, вершины которых направлены к первому концу 46 и к второму концу 48 канала 30. В отличие от "одиночных" зазубрин в стопорных соединениях зазубрины в стопорных соединениях 32 и 32А облегчают каждый течение пробы в обоих направлениях, т.е. независимо от того, входит ли проба в первый конец 46 или во второй конец 48.

На фиг.8 показан разрез по линии VIII-VIII на фиг.7. Выгравированные бороздки 38 и 38А прерывают проводящие поверхности 36 и проходят в изолирующий лист 34. Проводящая поверхность 36 обычно выполнена из золота, а проводящая поверхность 42 - из палладия, но они могут быть выполнены из любого другого проводящего материала, который не реагирует с реагентом или пробой и который может быть нанесен на изолирующую поверхность.

Изобретение относится к медицинской диагностике и позволяет регулировать поток биологической жидкости через капилляр. Устройство содержит капиллярный проточный канал от входного отверстия ко второму участку. Проточный канал имеет размер капилляра по крайней мере в одном направлении. Стопорное соединение в проточном канале имеет граничный участок, который имеет размер, больший в этом направлении, и образует угол, вершина которого направлена к входному отверстию для пробы. 9 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Медицинское диагностическое устройство для измерения концентрации анализируемого вещества в биологической жидкости, содержащее капиллярный проточный канал, сообщающийся с входным отверстием для ввода пробы и выполненный с возможностью перемещения пробы биологической жидкости в первом направлении от первого участка, проксимального к входному отверстию для ввода пробы, ко второму участку, дистальному к входному отверстию для ввода пробы, при этом первый участок имеет размер капилляра в направлении, перпендикулярном к первому направлению, стопорное соединение, содержащее граничный участок, разделяющий первый и второй участки, имеющий размер в направлении, перпендикулярном к первому направлению, который больше, чем размер капилляра, и образующий угол, вершина которого направлена к первому участку.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит на втором участке зону измерения физического параметра пробы, который соответствует концентрации анализируемого вещества в жидкости.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит первый слой и второй слой, разделенные во втором направлении промежуточным слоем, в котором вырез образует с первым и вторым слоями входное отверстие для ввода пробы, зону измерения и проточный канал.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй участок имеет размер в направлении, перпендикулярном к первому направлению, равный размеру капилляра.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанный граничный участок содержит рисунок, который выгравирован в поверхности первого слоя.6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что биологическая жидкость является электропроводящей, первый и второй слои имеют проводящую поверхность, примыкающую к промежуточному слою, который является изолирующим слоем, а проточный канал дополнительно содержит сухой реагент на проводящей поверхности одного из слоев для взаимодействия с пробой, чтобы вызывать изменение электрического параметра, соответствующее концентрации анализируемого вещества в жидкости, и электрохимическую ячейку для измерения электрического параметра, а стопорное соединение содержит изолирующий рисунок, выгравированный в проводящей поверхности одного из слоев, посредством чего проба, которая течет поперек рисунка, образует проводящий путь от первого участка ко второму участку.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит третий участок и второе входное отверстие для ввода пробы на третий участок, сообщающийся со вторым участком, посредством чего жидкость, введенная в первое входное отверстие для пробы, перемещается в противоположном направлении к жидкости, введенной во второе входное отверстие для пробы.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что граничный участок содержит рисунок, имеющий углы, вершины которых направлены к обоим входным отверстиям для пробы.9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что дополнительно содержит третий участок и второе входное отверстие для введения пробы на третий участок, сообщающийся со вторым участком, посредством чего жидкость, введенная в первое входное отверстие для пробы, перемещается в противоположном направлении к жидкости, введенной во второе входное отверстие для пробы.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что граничный участок содержит рисунок, имеющий углы, вершины которых направлены к обоим входным отверстиям для пробы.