УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ Российский патент 2023 года по МПК G01N33/49 

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться в устройствах для определения клинически значимых параметров крови, характеризующих ее реологические свойства.

Реологические свойства крови во многом определяют ее способность к микроциркуляции в тканях и органах и являются основой для диагностики различных заболеваний. Комплекс параметров, которые характеризуют реологический статус, включает скорость осаждения эритроцитов (СОЭ) и вязкость крови, плазмы и суспензии эритроцитов в стандартизованных условиях. Особенно широко в клинике в качестве неспецифического теста на различные патологии используется СОЭ. Все указанные реологические параметры коррелируют между собой, имея при этом и самостоятельное клинико-диагностическое значение. Поэтому является актуальной задача создания устройств, позволяющих надежно и оперативно определять комплекс реологических параметров крови.

Известны различные конструкции устройств для определения реологических свойств крови, работа которых основана на различных принципах. Например, известны ротационные вискозиметры, содержащие два тела вращения, преимущественно в форме цилиндров, один из которых выполнен с возможностью вращения, при этом образец крови помещают между ними и направляют на образец крови лазерный луч, интенсивность рассеяния которого на образце крови регистрируется световоспринимающим элементом (Левтов В.А. и др. Реология крови. М., Медицина, 1982, с. 69-72). Однако такие устройства сложны и дороги, они используются преимущественно в научных исследованиях и малопригодны для лабораторно-клинической диагностики.

Для лабораторно-клинической диагностики важно определение стандартизованных реологических параметров, для которых уже доказана ассоциативная связь с соответствующим заболеванием и которые необходимы преимущественно для уточнения диагноза. Для этой области применения широко используются устройства с капиллярами.

Известен, например, капиллярный вискозиметр, включающий основание, капилляр и его опору, при этом опора капилляра присоединена к основанию посредством поворотного механизма, позволяющего устанавливать заданный угол наклона капилляра от -90 до +90 градусов (RU 2527131 С1, 2014). Изменяя угол наклона капилляра, задают силу, приводящую в движение образец жидкости, например, крови, в капилляре и измеряют скорость движения этой жидкости. При этом реологические измерения могут проводиться при разных напряжениях сдвига, от которых существенно зависит вязкость жидкости. Это устройство обеспечивает достаточно точное измерение вязкости жидкости, в том числе крови, однако оно не позволяет измерять такой основной реологический параметр как СОЭ.

Из известных устройств наиболее близким к предложенному является устройство для определения реологических свойств крови, содержащее блок управления и термостатируемую камеру, внутри которой размещены капилляр из оптического прозрачного материала, расположенный в направляющем канале, и связанные с блоком управления узел термостатирования, модуль освещения, выполненный с обеспечением возможности ввода светового потока в торец капилляра, и фотометрический модуль, включающий основную светоинтегрирующую полость и соединенный с ней основной аналоговый фотодатчик рассеянного света (RU 27228+25 С1, 2020). Капилляр в устройстве расположен неподвижно в вертикальной плоскости, а светоинтегрирующая полость выполнена в виде полной сферы. Основным назначением этого устройства является диагностика состояния гемостаза. Однако оно может использоваться для определения СОЭ. Для этого капилляр заполняется кровью таким образом, чтобы верхний мениск образца крови попал в зону фотометрии. Расслаивание крови вызывает образование светоотражающей зоны в верхней части капилляра. При этом чем больше СОЭ, тем выше светоотражение и соответственно сигнал с фотодатчика. Однако измерение СОЭ занимает длительное время (около одного часа), что является основным недостатком устройства. При этом, поскольку расслаивание крови происходит параллельно с утолщением фибриновой пленки, которая также обладает светоотражающими свойствами, измерение СОЭ недостаточно надежно. Существенным недостатком устройства является невозможность определения других реологических параметров крови.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании устройства для определения реологических свойств крови, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в сокращении времени и повышении надежности определения СОЭ и одновременно расширении функциональных возможностей устройства для определения реологических свойств крови.

Это достигается тем, что в устройстве для определения реологических свойств крови, содержащем блок управления и термостатируемую камеру, внутри которой размещены капилляр из оптического прозрачного материала, расположенный в направляющем канале, и связанные с блоком управления узел термостатирования, модуль освещения, выполненный с обеспечением возможности ввода светового потока в торец капилляра, и фотометрический модуль, включающий основную светоинтегрирующую полость и соединенный с ней основной аналоговый фотодатчик рассеянного света, капилляр размещен в горизонтальной плоскости с обеспечением возможности вращения вдоль своей осевой линии посредством связанного с блоком управления механизма вращения капилляра, при этом фотометрический модуль размещен над капилляром и включает дополнительный аналоговый фотодатчик рассеянного света и соединенную с ним дополнительную светоинтегрирующую полость, выполненную идентичной основной и образующую вместе с ней полусферу, состоящую из двух одинаковых частей, разделенных расположенной перпендикулярно осевой линии капилляра светонепроницаемой перегородкой. На внутреннюю поверхность капилляра может быть нанесено антикоагуляционное покрытие, в качестве материала которого могут быть выбраны вещества на основе гепарина. Механизм вращения капилляра может включать шаговый двигатель.

На фиг. 1 показана структурная блок-схема устройства для определения реологических свойств крови. Фиг. 2 на поперечном разрезе схематично поясняет выполнение фотометрического модуля.

Устройство для определения реологических свойств крови содержит термостатируемую камеру 1, внутри которой размещены расположенный в направляющем канале капилляр 2, узел 3 термостатирования, модуль 4 освещения, фотометрический модуль 5 и механизм 6 вращения капилляра 2. Устройство содержит также блок 7 управления, связанный с узлом 3 термостатирования, модулем 4 освещения, фотометрическим модулем 5 и механизмом 6 вращения капилляра 2. Блок управления 7 преимущественно снабжен дисплеем, а также предусмотрено подключение внешнего компьютера (на чертежах не отражено). Капилляр 2 размещен в горизонтальной плоскости с обеспечением возможности его вращения вдоль своей осевой линии посредством механизма 6 вращения, который выполнен преимущественно с использованием шагового двигателя и включает, например, ведомую шестерню-втулку 8, запрессованную в подшипник качения 9. Направляющий канал для капилляра 2 образован, например, внутренними поверхностями шестерни-втулки 8 и направляющей втулки 10, выполненной, например, в виде подшипника скольжения. Капилляр 2 выполнен из оптически прозрачного материала, например, стекла или пластмассы. Внутренний диаметр капилляра 2 составляет, например, 2,2 мм. На внутреннюю поверхность капилляра 2 преимущественно нанесено антикоагуляционное покрытие, в качестве материала которого выбраны вещества преимущественно на основе гепарина. Узел 3 термостатирования может иметь различное конструктивное выполнение, например, включает реверсивный тепловой насос с элементом Пельтье и термодатчик (на чертежах не показаны). Модуль 4 освещения выполнен с обеспечением возможности ввода светового потока в торец капилляра 2 (в торцевую поверхность его стенки) и включает, например, оптически прозрачный суппорт, диафрагму, фокусирующую линзу и фотодиод (на чертежах не показаны). Фотометрический модуль 5 размещен над капилляром 2. Он состоит из двух частей и включает основную светоинтегрирующую полость 11 с соединенным с ней основным аналоговым фотодатчиком 12 рассеянного света и дополнительную светоинтегрирующую полость 13 с соединенным с ней дополнительным аналоговым фотодатчиком 14 рассеянного света. Дополнительная светоинтегрирующая полость 13 выполнена идентично основной 11 и образует вместе с ней полусферу с зеркальной отражающей поверхностью, состоящую из двух одинаковых частей, разделенных расположенной перпендикулярно осевой линии капилляра светонепроницаемой перегородкой 15. Основной 12 и дополнительный 14 аналоговые фотодатчики связаны с соответствующими входами блока 7 управления или непосредственно или преимущественно через усилители 16 аналоговых сигналов. В подготовленном к включению устройстве капилляр 2 заполнен исследуемой кровью 17 и снабжен на своем рабочем торце пломбой 18. Устройство имеет корпус с крышкой (на чертежах не показан), преимущественно из пластмассы.

После включения устройства узел 3 термостатирования обеспечивает в термостатируемой камере 1 заданную температуру. На внутреннюю поверхность капилляра 2 преимущественно наносят тонкий слой (до 200 нм) антикоагуляционного покрытия, например, натриевой соли гепарина. Это предотвращает преждевременное свертывание крови 17. Капилляр 2 заполняют исследуемой кровью 17 не менее чем на половину его длины, запечатывают его рабочий торец изнутри пломбой 18, например, из пластичной восковой мастики, и вставляют его в направляющую втулку 10 до соприкосновения с торцевым окном в шестерне-втулке 8, которая плотно охватывает капилляр 2. В горизонтально расположенном неподвижном капилляре 2 с кровью 17 под действием силы тяжести начинается процесс осаждения форменных элементов крови 17 с различной скоростью. Различие в скоростях их оседания приводит к расслаиванию образца крови 17 на два слоя. В первую очередь оседают эритроциты, в результате чего над слоем эритроцитарной массы быстро образуется светоотражающий слой, образованный тромбоцитами и лейкоцитами. Скорость формирования светоотражающего слоя непосредственно связана с реологическими свойствами крови 17 и может быть измерена фотометрически путем ввода возбуждающего светового потока в торец оптически прозрачного капилляра 2 с последующей фоторегистрацией рассеянного света, исходящего от светоотражающего слоя. Чем толще светоотражающий слой, тем выше интенсивность рассеянного света. Горизонтальное расположение капилляра 2 обеспечивает наибольшую площадь светоотражающей поверхности и соответственно максимальное соотношение сигнал/шум, а также наилучшие условия для осаждения форменных элементов крови 17. Фотометрии подвергается только верхняя полусфера капилляра 2, где формируется светоотражающий слой. Выполнение устройства с двумя идентичными аналоговыми фотодатчиками 12, 14 рассеянного света и соответственно двумя светоотражающими полостями 11, 13 позволяет использовать дифференциальную схему фотометрии, что обеспечивает определение с высокими чувствительностью и воспроизводимостью параметров кинетической кривой образования светоотражающего слоя, которая характеризует реологические свойства крови 17. Образование дифференциального сигнала происходит за счет гармонических вращательно-колебательных движений капилляра 2. Вращательно-колебательные движения капилляра 2 происходят по гармоническому закону в пределах заданных блоком управления 7 угловой скорости и угла α в пределах преимущественно 15-50 градусов (при фиксированной частоте колебаний 1 Hz). Эти колебательные движения за счет пристеночного трения генерируют внутри капилляра 2 вязкую волну, которая заставляет «покачиваться» эритроцитарный осадок, вызывая равное, но разнонаправленное изменение длины оптического пути отраженного света для основной и дополнительной частей фотометрического модуля 5. При этом граница 19 между упомянутыми слоями, которая в состоянии покоя занимает горизонтальное положение, периодически принимает наклонное положение (фиг. 2). Дифференциальный сигнал определяется как разность между величинами сигналов с основного 12 и дополнительного 14 аналоговых фотодатчиков рассеянного света и имеет периодический характер. Период дифференциального сигнала совпадает с периодом возбуждающих колебаний, отставая от них по фазе на некоторый угол θ. По мере оседания эритроцитов в капилляре 2 количество отраженного света непрерывно увеличивается, при этом блок 7 управления вырабатывает команды на постепенное увеличение размаха колебательных движений капилляра 2 (угла α) и поддержание максимальной амплитуды колебательных движений. Сигналы от аналоговых фотодатчиков 12, 14 после их усиления посредством усилителей 16 аналоговых сигналов и преобразования в цифровую форму в блоке 7 управления служат исходным материалом для построения блоком 7 управления кинетической кривой, на основании которой им формируются все реологические параметры. Наиболее информативными для определения реологических свойств крови 17 является максимальная скорость изменения огибающей кривой дифференциального сигнала, соответствующее этой скорости время измерения, лаг-период и угол θ. При этом, например, кинетика дифференциального сигнала непосредственно отражает значение СОЭ, а кинетика угла θ отражает преимущественно реологические свойства суспензии эритроцитов. Таким образом, на основании параметров кинетической кривой блок 7 управления позволяет надежно определить стандартизованные реологические параметры - СОЭ, вязкость цельной крови, вязкость плазмы и эритроцитарной массы в течение небольшого отрезка времени с начала процесса определения реологических свойств крови 17 (около одной минуты).

Пример осуществления

Устройство для определения реологических свойств крови включает силиконизированный капилляр 2 длиной 90 мм с внутренним диаметром 2,2 мм (фирма BRAND). В качестве пробки 18 использована пластичная восковая мастика. Механизм 6 вращения капилляра 2 выполнен на шаговом двигателе с постоянным магнитом Maintex 10BY25 (China). В качестве аналоговых фотодатчиков 12, 14 использованы кремниевые фотодиоды BPW34 (фирма Vishay Intertechnology). Модуль 4 освещения выполнен на базе светодиода GNL-5013PGD с длиной волны 525 нм (фирма G-NOR OPTOELECTRONICS). Усилители 16 аналоговых сигналов выполнены на базе операционного усилителя AD795 (фирма Analog Devices). Блок 7 управления выполнен на базе микроконтроллера PIC18F248 (фирма Microchip Technology) и снабжен жидкокристаллическим дисплеем. В термостатируемой камере 3 поддерживается температура 20°С(±0,5). Устройство выполнено в снабженном крышкой корпусе из пластмассы с размерами 120×60×60 мм. Использование устройства в условиях лабораторно-клинической диагностики показало его высокие чувствительность и воспроизводимость результатов при определении комплекса стандартизованных реологических параметров, в том числе СОЭ. Время определения реологических свойств крови 17 составило 1 минуту.

Использование устройства, выполненного в соответствии с изобретением, позволяет сократить время определения СОЭ и за счет высокой чувствительности устройства и высокой воспроизводимости определяемых параметров повысить надежность определения СОЭ. Такое выполнение устройства расширяет его функциональные возможности, позволяя определять с высокой надежностью и другие реологические параметры. При этом определение этих реологических параметров устройством занимает меньшее время по сравнению с аналогичными известными устройствами.

Изобретение относится к области медицинской техники. Устройство для определения реологических свойств крови (17) содержит блок (7) управления и термостатируемую камеру (1), внутри которой размещены капилляр (2) из оптического прозрачного материала, расположенный в направляющем канале, и связанные с блоком управления (7) узел (3) термостатирования, модуль (4) освещения, выполненный с обеспечением возможности ввода светового потока в торец капилляра (2), и расположенный над капилляром (2) фотометрический модуль (5). Фотометрический модуль (5) включает основную светоинтегрирующую полость (11) и соединенный с ней основной аналоговый фотодатчик (12) рассеянного света, а также дополнительный аналоговый фотодатчик (14) и соединенную с ним дополнительную светоинтегрирующую полость (13). Капилляр (2) размещен в горизонтальной плоскости с обеспечением возможности вращения вдоль своей осевой линии посредством связанного с блоком (7) управления механизма (6) вращения капилляра (2). Дополнительная светоинтегрирующая полость (13) выполнена идентично основной (11) и образует вместе с ней полусферу, состоящую из двух одинаковых частей, разделенных расположенной перпендикулярно осевой линии капилляра (2) светонепроницаемой перегородкой (15). Такое выполнение устройства обеспечивает сокращение времени определения СОЭ и повышение надежности определения СОЭ, а также расширяет функциональные возможности устройства, позволяя определять с высокой надежностью и другие реологические параметры. При этом определение этих реологических параметров занимает меньшее время по сравнению с известными аналогичными устройствами. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения реологических свойств крови, содержащее блок управления и термостатируемую камеру, внутри которой размещены капилляр из оптического прозрачного материала, расположенный в направляющем канале, и связанные с блоком управления узел термостатирования, модуль освещения, выполненный с обеспечением возможности ввода светового потока в торец капилляра, и фотометрический модуль, включающий основную светоинтегрирующую полость и соединенный с ней основной аналоговый фотодатчик рассеянного света, отличающееся тем, что капилляр размещен в горизонтальной плоскости с обеспечением возможности вращения вдоль своей осевой линии посредством связанного с блоком управления механизма вращения капилляра, при этом фотометрический модуль размещен над капилляром и включает дополнительный аналоговый фотодатчик рассеянного света и соединенную с ним дополнительную светоинтегрирующую полость, выполненную идентичной основной и образующую вместе с ней полусферу, состоящую из двух одинаковых частей, разделенных расположенной перпендикулярно осевой линии капилляра светонепроницаемой перегородкой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внутреннюю поверхность капилляра нанесено антикоагуляционное покрытие.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве материала антикоагуляционного покрытия выбраны вещества на основе гепарина.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что механизм вращения капилляра включает шаговый двигатель.