Устройство для оценки физических свойств капельных проб биологических жидкостей

Полезная модель направлена на получения информации об оптических и геометрических параметрах жидких биологических сред сформированных в форме лежащей капли. Устройство содержит горизонтальную поверхность, для размещения на ней в виде лежащей капли исследуемой пробы, выполненную в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещенную в изолированный рабочий объем камеры первичного преобразователя между источником оптического излучения и оптически с ним связанным приемником оптического излучения, причем, источник оптического излучения расположен под капельной пробой. При этом источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания. А приемник оптического излучения связан с усилителем фототока, связанным с источником питания. Причем приемник оптического излучения, закреплен на валу шагового двигателя, и выполнен с возможностью перемещения по дуге над поверхностью капли, в вертикальной плоскости, проходящей через центр ее основания, на угол от 0° до 180°, от плоскости основания капли, с вершиной в центре основания капли. Усилитель фототока через аналоговоцифровой преобразователь связан с компьютером, а шаговый двигатель связан с компьютером через систему управления, которая подключена к источнику питания. В боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежащей каплей исследуемой пробы и сфокусированный на ней, причем видеокамера подключена к персональному компьютеру. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания. А так же испаритель воды, в качестве которого использован гигроскопичный материал, наклеенный на внутреннюю поверхность камеры первичного преобразователя, нижний край которого через щель, в задней стенке камеры первичного преобразователя, опущен в горизонтальный канал с водой, выполненный в задней стенке камеры первичного преобразователя, соединенный с внешним сосудом.

Полезная модель относится к лабораторной медицинской технике и может быть использована для исследования физико-химических, оптических свойств, а также оценки динамики протекания биофизических и биохимических процессов в жидких биологических средах.

Протекание биологических процессов связано со многими физическими и химическими явлениями. В частности: изменением механико-динамических свойств, электропроводности, дисперсности среды, поверхностной энергии отдельных клеток и растворов, изменением температуры и оптико-спектральных характеристик пробы. Эти явления могут быть зарегистрированы физическими методами и лежат в основе исследований биологических сред.

Известно устройство, для исследования физических свойств биологических жидкостей, которое выбрано в качестве прототипа [Патент РФ на полезную модель 47526, опубликован 17.02.2005].

Устройство состоит из камеры первичного преобразователя, в которой между вертикально соосно расположенными источником и приемником оптического излучения помещена горизонтальная поверхность, выполненная в виде пластины из гидрофобного, прозрачного материала для размещения капельной пробы исследуемой биологической жидкости. Источник оптического излучения расположен под капельной пробой, а приемник оптического излучения, зафиксирован над ней, при этом источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания, а приемник оптического излучения через усилитель фототока, связанный с источником питания, подключен к регистрирующему устройству. В боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежащей каплей исследуемой пробы и сфокусированный на ней, причем видеокамера подключена к персональному компьютеру. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а также испаритель воды. В качестве испарителя воды используется гигроскопичный материал, наклеенный на внутреннюю поверхность камеры первичного преобразователя, нижний край которого через щель опущен в канал с водой, соединенный с внешним сосудом для его заправки.

Недостатком данного устройства является невозможность исследования процессов рассеяния оптического излучения капельным образцом биологической жидкости, вследствие фиксированного положения приемника оптического излучения.

Задачей полезной модели является исследование процессов рассеяния оптического излучения капельным образцом биологической жидкости, в частности, получение индикатрисы рассеяния оптического излучения капельным образцом биологической жидкости.

Поставленная задача решена за счет того, что данное устройство для оценки физических свойств капельных проб биологических жидкостей, как и прототип, состоит из: горизонтальной поверхности, для размещения на ней в виде лежащей капли исследуемой пробы биологической жидкости, выполненную в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещенную в изолированный рабочий объем камеры первичного преобразователя между источником оптического излучения и оптически с ним связанным приемником оптического излучения. Причем, источник оптического излучения расположен под капельной пробой, при этом источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания. Приемник оптического излучения связан с усилителем фототока, связанным с источником питания, кроме того, в боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежащей каплей исследуемой пробы и сфокусированный на ней, причем видеокамера подключена к персональному компьютеру. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а так же испаритель воды, в качестве которого использован гигроскопичный материал, наклеенный на внутреннюю поверхность камеры первичного преобразователя, нижний край которого через щель, в задней стенке камеры первичного преобразователя, опущен в горизонтальный канал с водой, выполненный в задней стенке камеры первичного преобразователя, соединенный с внешним сосудом.

В отличие от прототипа приемник оптического излучения, выполненный с возможность перемещаться по дуге над поверхностью капли, в вертикальной плоскости, проходящей через центр ее основания, на угол от 0° до 180° (с вершиной в центре основания капли) от плоскости основания капельного образца. Для перемещения приемника оптического излучения применен шаговый двигатель, закрепленный на боковой стенке камеры первичного преобразователя. При этом ось вала шагового двигателя лежит в плоскости основания капли и проходит через центр основания капли. Усилитель фототока через аналогово-цифровой преобразователь связан с компьютером, а шаговый двигатель связан с компьютером через систему управления, которая подключена к источнику питания.

Применение приемника оптического излучения, способного перемещаться над поверхностью капельной пробы, позволяет исследовать не только прямопрошедшее через каплю излучение, но и рассеянное, что в последствии позволит получить индикатрису рассеяния оптического излучения капельным образцом.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для исследования физических свойств капельных проб биологических жидкостей.

На фиг.2 представлена конструкция камеры первичного преобразователя устройства для оценки физических свойств капельных проб биологических жидкостей.

На фиг.3 показана индикатриса рассеяния оптического излучения капельным образцом крови человека.

Устройство (фиг.1) состоит из камеры первичного преобразователя 1 (ПП), содержащей источник оптического излучения 2 (ИИ), кювету с исследуемой капельной пробой биологической жидкости 3 размещенную над источником излучения 2 (ИИ) и приемник оптического излучения 4 (ПИ), выполненный с возможностью перемещения по дуге над поверхностью капельной пробы биологической жидкости 3, и закрепленный на валу шагового двигателя 5 (ШД) при помощи кронштейна, а также термодатчик 6 (ТД) и нагревательный элемент 7 (НЭ). В боковую стенку камеры первичного преобразователя 1 (ПП) встроен объектив видеокамеры 8 (ВК), сфокусированный на капельной пробе 3 (ПР). Видеокамера 8 (ВК) электрически связана с платой ввода видеоизображения персонального компьютера 9 (ПК). Источник стабильного тока 10 (ИСТ), подключен к источнику оптического излучения 2 (ИИ). Блок терморегуляции 11 (ТР), связан с термодатчиком 6 (ТД) и нагревательным элементом 7 (НЭ). Усилитель фототока 12 (УС), электрически связан с приемником оптического излучения 4 (ПИ). Аналогоцифровой преобразователь 13 (АЦП), электрически связанный с персональным компьютером 9 (ПК) и усилителем фототока 12 (УС). Система управления шаговым двигателем 14 (СУШД), связана с персональным компьютером 9 (ПК) и шаговым двигателем 5 (ШД). Источник питания 15 (ИП) подключен к блоку терморегуляции 11 (ТР), источнику стабильного тока 10 (ИСТ), системе управления шаговым двигателем 14 (СУШД) и усилителю фототока 12 (УС).

Камера первичного преобразователя 1 (ПП), выполнена в виде цельнометаллического корпуса 16 с выфрезерованным внутри рабочим объемом 17 для помещения кюветы 18. Рабочий объем 17 камеры первичного преобразователя 1 (ПП) изолирован от воздействия внешней среды откидной крышкой 19 с герметизирующей прокладкой.

Кювета 18 представляет собой металлическую пластинку с размерами, позволяющими ее точно фиксировать в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) и имеющую соосное с вертикальным каналом отверстие для размещения одноразовых вкладышей 20 из прозрачного инертного гидрофобного материала.

На боковой стенке корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП) закреплен шаговый двигатель 5 (ШД). Вал 21 шагового двигателя 5 (ШД) введен в рабочий объем камеры первичного преобразователя 1 (ПП), через сквозной горизонтальный канал. На валу 21 шагового двигателя 5 (ШД) закреплен кронштейн 22 с приемником излучения 4 (ПИ). В канале нижней части корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП) размещен, закрепленный на планшайбе 23 источник оптического излучения 2 (ИИ). Планшайба 23 закреплена тремя подпружиненными винтами 24, так же выполняющими функцию юстировки источника оптического излучения 2 (ИИ).

На внутренней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) приклеен гигроскопичный материал 25, нижний край которого опущен через щель в горизонтальный канал 26 с водой, соединенный с внешним сосудом 27 для заправки.

На внешней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) установлен нагревательный элемент 7 (НЭ). Термодатчик 6 (ТД) расположен в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) вблизи от капельной пробы жидкости 3 и закреплен через специальное отверстие в верхней части корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП).

В боковой стенке камеры выполнено окно 28, закрытое прозрачным стеклом 29 для наблюдения формы капли с помощью видеокамеры 8 (ВК).

В качестве источника оптического излучения 2 (ИИ) может быть использован светодиод или лазерный диод с необходимыми для задач исследования спектральными характеристиками. Источник стабильного тока 10 (ИСТ) собран на операционном усилителе по одной из общепринятых схем [Гутиников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.61-84]. Приемником оптического излучения 4 (ПИ) может служить фотодиод или другое фоторегистрирующее устройство, воспринимаемый спектральный диапазон которого совпадает со спектральными характеристиками источника оптического излучения 2 (ИИ). Апертурный угол приемника оптического излучения 4 (ПИ) составляет не более 3°. Для перемещения приемника излучения может быть применен биполярный шаговый двигатель с шагом 1,8°. Усилитель фототока 12 (УС) выполнен на операционном усилителе по схеме преобразования ток - напряжение, где фотодиод, используемый в качестве приемника оптического излучения 4 (ПИ), включен в фотогальваническом режиме. Усилитель фототока 12 (УС) имеет возможность подстройки коэффициента усиления. В качестве аналогоцифрового преобразователя 13 (АЦП) может быть применен 12-разрядный аналогоцифровой преобразователь последовательного приближения. В качестве системы управления шаговым двигателем 13 (СУШД) может быть использован драйвер, с электрическими параметрами, соответствующими параметрам выбранного шагового двигателя 5 (ШД).

В качестве термодатчика 6 (ТД) используется терморезистор, включенный в одно из плеч мостового измерительного преобразователя блока терморегуляции 11 (ТР), выполненного на операционном усилителе. Нагревательный элемент 7 (НЭ), проволочного типа, мощностью до 15 Вт. Могут быть использованы и другие типы нагревателей. Источник питания 15 (ИП) выполнен по традиционной схеме с сетевым трансформатором и выходным стабилизированным напряжением ±15 В. Регистрирующим устройством является персональный компьютер ПК (9). Персональный компьютер 9 (ПК) типа IBM PC, должен иметь плату ввода видеоизображения, плату сбора и вывода данных, а также соответствующее программное обеспечение. Также возможно применение других видов регистрирующих устройств.

При работе, за счет работы блока терморегуляции 11 (ТР), управляемого сигналом термодатчика 6 (ТД), в камере первичного преобразователя 1 (ПП) поддерживается необходимая температура. В результате испарения дистиллированной воды с поверхности гигроскопичного материала 25, в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) создается атмосфера насыщенного пара, что устраняет высыхание исследуемой капельной пробой 3 (ПР).

До загрузки капельной пробы биологической жидкости 3, по сигналу управления (программно, по команде оператора) с персонального компьютера 9 (ПК) через систему управления шаговым двигателем 14 (СУШД) вал 21 шагового двигателя 5 (ШД) с закрепленным на нем кронштейном 22 и приемником оптического излучения 4 (ПИ) устанавливается в начальное (исходное) положение, при котором угол между основанием капельной пробы биологической жидкости 3 и осью приемника оптического излучения 4 (ПИ) равен 0°.

Затем, в камеру при открытой крышке 19 на кювете 18 вводится точно дозированная капельная проба исследуемой биологической жидкости 3, которую наносят с помощью пипеточного дозатора на поверхность прозрачного гидрофобного вкладыша 20, расположенного в отверстии кюветы 18. Крышку 19 камеры первичного преобразователя 1 (ПП) закрывают и производят измерения оптических свойств капельной пробы биологической жидкости 3.

Первичная информация об оптических свойствах капельной пробы биологической жидкости 3 получается при ее просвечивании световым потоком от источника оптического излучения 2 (ИИ). Поступивший на капельную пробу биологической жидкости 3 световой поток претерпевает рассеяние и попадает на приемник оптического излучения 4 (ПИ), изначально расположенный в исходном положении перпендикулярно направлению распространения излучения от источника оптического излучения 2 (ИИ) и, следовательно, воспринимающий световой поток рассеянный капельной пробой биологической жидкости 3 под углом 90°. Усиленный усилителем фототока 12 (УС) сигнал с приемника оптического излучения 4 (ПИ) поступает для обработки и записи в персональный компьютер 9 (ПК). После обработки сигнала, полученного с приемника оптического излучения 4 (ПИ), по управляющему сигналу с персонального компьютера 9 (ПК) происходит поворот вала шагового двигателя и перемещение приемника оптического излучения 4 (ПИ) вверх по дуге на угол 0.9° от плоскости основания пробы. Затем повторяется измерение и запись сигнала с приемника оптического излучения 4 (ПИ) в персональный компьютер 9 (ПК). Поворот шагового двигателя может осуществляться от исходного положения на угол до 180°, от плоскости основания капельной пробы.

После выполнения заданного числа измерений (задается программно в соответствие с задачами исследования), производится обработка полученной информации: устанавливается соответствие, интенсивности, принятого приемником оптического излучения 4 (ПИ), углу поворота вала шагового двигателя и строится индикатриса рассеяния (фиг.3.) оптического излучения капельной пробой 3. Вся обработка полученных сигналов и управление шаговым двигателем осуществляется персональным компьютером с установленным на него специальным программным обеспечением.

Информация о геометрии капельной пробы 3 регистрируется видеокамерой 8 (ВК), и передается через плату ввода видеоизображения в персональный компьютер 9 (ПК), где производится ее наблюдение, а так же дальнейшая обработка и сохранение. На основе полученного оцифрованного изображения проекции капельной пробы 3 исследуемой жидкости, возможен автоматический анализ ее геометрических размеров, а также угла смачивания.

Устройство позволяет в течение заданного времени исследовать оптические свойства и геометрию капельных проб. Данная информация может быть использована для оценки протекания различных биологических и физико-химических процессов в жидких биологических средах.

Устройство для оценки физических свойств капельных проб биологических жидкостей, содержащее горизонтальную поверхность для размещения на ней в виде лежащей капли исследуемой пробы, выполненную в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещенную в изолированный рабочий объем камеры первичного преобразователя между источником оптического излучения и оптически с ним связанным приемником оптического излучения, причем источник оптического излучения расположен под капельной пробой, при этом источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания, а приемник оптического излучения связан с усилителем фототока, связанным с источником питания, кроме того, в боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежащей каплей исследуемой пробы и сфокусированный на ней, причем видеокамера подключена к персональному компьютеру, а в камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а также испаритель воды, в качестве которого использован гигроскопичный материал, наклеенный на внутреннюю поверхность камеры первичного преобразователя, нижний край которого через щель в задней стенке камеры первичного преобразователя опущен в горизонтальный канал с водой, выполненный в задней стенке камеры первичного преобразователя, соединенный с внешним сосудом, отличающееся тем, что приемник оптического излучения закреплен на валу шагового двигателя и выполнен с возможностью перемещения по дуге над поверхностью капли в вертикальной плоскости, проходящей через центр ее основания, на угол от 0 до 180°, от плоскости основания капли, с вершиной в центре основания капли, усилитель фототока через аналогово-цифровой преобразователь связан с компьютером, а шаговый двигатель связан с компьютером через систему управления, которая подключена к источнику питания.