устройство для автоматической регистрации процесса осаждения эритроцитов

Формула изобретения

Устройство для автоматической регистрации процесса осаждения эритроцитов, включающее в себя корпус, вертикально расположенный капилляр, средство удержания капилляра, сенсорную головку, с источником и приемником оптического излучения, установленные в горизонтальной плоскости напротив друг друга, схему сравнения с пороговым уровнем, шаговый двигатель, схему управления шаговым двигателем, процессор, соединенный со схемой управления и схемой сравнения, выходное устройство, соединенное с процессором, отличающееся тем, что в него введен редуктор для уменьшения линейного смешения средства удержания капилляра, сенсорная головка выполнена неподвижной, а средство удержания капилляра имеет возможность вертикального перемещения посредством передачи усилия от выходной шестерни редуктора к зубчатой рамке, являющейся частью средства и удержания капилляра, а корпус закреплен на неподвижном основании с возможностью поворота до 90^o от вертикали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины, а именно к автоматизации лабораторных клинических методов исследования. Изобретение может быть использовано для автоматизации проведения клинических исследований крови в медицинских учреждениях и повышения информативности стандартного метода СОЭ (скорость оседания эритроцитов).

Одним из широко используемых диагностических тестов в медицине является определение значения средней за час СОЭ. По результатам данного неспецифического теста, применяемого совместно с другими методами диагностики состояния пациентов, выявляют наличие определенных патологий, сопровождаемых воспалительными процессами.

Было признано, что единичное измерение в течение получаса или одного часа после помещения образца крови в трубку, дающее только усредненное значение, является явно недостаточным. Так, часто значение СОЭ больных оказывается в пределах нормы и, напротив, значения СОЭ людей без видимых патологий могут лежать за ее пределами. Поэтому повышение информативности теста крайне желательно.

Для этого необходимо многократно увеличить количество снимаемых точек во времени и разрешение оседания по высоте, что практически невозможно выполнить без автоматизации процесса.

В настоящее время известно несколько аналогичных устройств, позволяющих автоматически отслеживать процесс осаждения эритроцитов в капилляре.

Так, патент США 5575977, опубл. 19.11.1996, описывает устройство для автоматической регистрации осаждаемости крови [1].

Оно включает в себя корпус, вертикально расположенную трубку (капилляр), в которую помещается исследуемый образец крови, держатель трубки, две сенсорные головки, охватывающие трубку в горизонтальной плоскости, каждая сенсорная головка содержит источник и приемник оптического излучения, установленные в горизонтальной плоскости под углом относительно друг друга, между источником оптического излучения и трубкой, а также между приемником оптического излучения и трубкой помещено по маске с горизонтальной щелью, каждая сенсорная головка установлена на подвижном основании - зубчатой рейке, сцепленной с шестерней, устройство содержит также два шаговых двигателя, каждый из которых связан с соответствующей шестерней, а также устройство управления шаговыми двигателями, процессор, соединенный с устройством управления, и выходное устройство, соединенное с процессором.

Наличие двух сенсорных головок позволяет получать информацию о процессе осаждения эритроцитов с двух зон - с первой, с помощью первой сенсорной головки, устанавливаемой несколько ниже (примерно на 0,5 мм) от границы раздела кровь - плазма, и со второй, с помощью второй сенсорной головки, устанавливаемой на большее расстояние вниз (примерно на 5,0 мм) от границы раздела кровь - плазма.

Это известное устройство как преимущественный использует принцип регистрации отраженного от образца крови оптического излучения инфракрасного диапазона, хотя может работать в режиме регистрации прошедшего через образец крови оптического излучения и в видимом диапазоне.

В режиме на "отражение" отражательная способность образца крови изменяется по мере осаждения эритроцитов, а именно в начальный момент времени она минимальна (излучение сильно поглощается), а по мере осаждения - увеличивается (излучение поглощается слабее, интенсивность отраженного излучения растет).

В режиме "на проход" источник и приемник оптического излучения устанавливаются по разные стороны трубки на одной оптической оси.

Недостатком этого устройства является то, что отслеживается положение не собственно оптической границы, а некий уровень, находящийся под реальной границей плазма - столбик эритроцитов в общем случае на нефиксированном расстоянии, что затрудняет сопоставление результатов с получаемыми традиционными методами.

Кроме того, известно устройство для автоматической регистрации осаждения крови, описанное в патенте РФ 2128945, опубл. 20.04.1999 [2]. Оно содержит корпус, вертикально расположенную трубку, в которую помещается исследуемый образец крови, средство удержания трубки в корпусе, сенсорную головку, включающую в себя источник и приемник оптического излучения, размещенные по разные стороны трубки на одной оптической оси в горизонтальном направлении маску со щелью, установленную между приемником оптического излучения и трубкой, процессор, выходное устройство, входом соединенное с выходом процессора. Источник оптического излучения выполнен формирующим распределенный в вертикальной плоскости оптический пучок, перекрывающий по высоте трубку с исследуемым образцом крови. Маска со щелью установлена вертикально. Между маской со щелью и приемником оптического излучения установлена собирающая оптическая система, при этом приемник оптического излучения выполнен в виде сканерной линейки из приборов с зарядовой связью, установленной вертикально. Выходы линейки из приборов с зарядовой связью соединены с входом процессора, при этом головка закреплена неподвижно.

Основным преимуществом данного устройства является отсутствие движущихся частей. Постоянно отслеживается оптическая плотность по всей длине капилляра. Но это привело к увеличению сложности оптической системы. Существенно увеличивается стоимость приемника оптического излучения. Также недостатком является сравнительно низкая точность отслеживания границы, которая определяется оптической схемой и детектором.

Наиболее близкими по совокупности признаков заявленному изобретению является аппарат и методика дискретной записи кривой осаждения и ее производной, или мгновенной скорости осаждения, описанные в патенте США 4041502, опубл. 1978 г. (Уильямс и др.) [3].

В устройстве Уильямса светоизлучающий диод монтируется рядом с вертикально расположенной трубкой осаждения на подвижной головке. Светодиод посылает пучок света через трубку на фотодиодный детектор, расположенный на головке на противоположной стороне трубки. Если детектор не получает сигнал от источника света, то, следовательно, головка находится ниже границы раздела между эритроцитами и плазмой крови. При опускании границы раздела ниже пучка света фотодиод засекает пучок и, таким образом, фиксирует прохождение границы через уровень головки.

Сенсорная головка данного прибора движется вниз вдоль трубки с помощью шагового двигателя. Светодиод постоянно облучает фотодиод через трубку, и, если фотодиод "видит" свет с интенсивностью выше заранее заданного уровня, то шаговый двигатель приводится в действие и опускает головку ниже. Система включает в себя часы и логический элемент, который выключает шаговый двигатель при снижении интенсивности регистрируемого света ниже заданного уровня во время движения головки вниз. Регистрирующее устройство записывает информацию и суммирует общее время работы шагового двигателя каждые 15 секунд, отслеживая, таким образом, движение головки и границы раздела между эритроцитами и плазмой крови.

Для более глубокого изучения корреляции между динамикой осаждения и видами заболеваний патент Уильямсона предусматривает также расчет наклона кривой осаждения в точках, т.е. мгновенной скорости осаждения. Это обеспечивается определением величины опускания сенсорной головки с интервалом 15 секунд в течение всего эксперимента, обычно длящегося 1 час.

Мгновенная скорость осаждения, или первая производная скорости осаждения, которая была предложена Уильямсоном, рассматривалась как величина, несущая больше информации о степени и условиях заболевания. Так, первая производная могла бы дать информацию об образовании и разрушении рулонов эритроцитов, что может быть свидетельством присутствия или отсутствия заболевания. Однако ожидаемая корреляция между осаждением крови и условиями воспалительного процесса до сих пор не была выявлена, и исследования осаждения эритроцитов пока не рассматриваются как надежный метод диагностики.

Недостатками этого устройства являются следующие.

Во-первых, недостаточная точность определения положения границы плазма-эритроциты.

Во-вторых, недостаточно частое снятие временных точек, лишь каждые 15 с, в то время как процесс осаждения эритроцитов имеет гораздо меньший период колебаний [4] (Воейков и др.).

Сущностью предлагаемой разработки является то, что движение от шагового двигателя передается на устройство удержания капилляра, а не на сенсорную головку, кроме того, устройство содержит редуктор, позволяющий увеличить точность позиционирования, и корпус закреплен на неподвижном основании с возможностью поворота его до 90^o от вертикали для применения экспресс-методик определения параметров осаждения эритроцитов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения границы плазма-эритроциты и расширение возможностей применения устройства (применения экспресс-методик с наклоном капилляра относительно вертикальной оси).

На фиг.1 изображена блок-схема заявленного устройства.

Согласно фиг. 1 устройство содержит неподвижную сенсорную головку 1, включающую источник 2 и приемник 3 излучения, установленные на одной оптической оси, средство 4 фиксации и удержания исследуемого образца 5 крови, которое может смещаться по вертикальной оси, пробку 6, препятствующую вытеканию крови из образца 5, схему сравнения 7 мощности излучения, полученной приемником излучения 3 с пороговым уровнем, формирующую на выходе уровень логической единицы при превышении этого уровня и логического нуля в обратном случае, редуктор 8, увеличивающий точность позиционирования образца 5 крови путем уменьшения линейного смещения на один шаг, шаговый двигатель 9, схему управления 10 шаговым двигателем 9, процессор 11, на вход которого подключены схема сравнения 7 и схема управления 10, выходное устройство 12, корпус 13 и основание (на чертеже не показано).

Оптическая система устройства может быть выполнена по схеме, представленной на фиг.2. Источник излучения 3 включает в себя источник света 14, тепловой фильтр 15, пропускающий через себя только видимое излучение, и фокусирующую систему, включающую первый микрообъектив 16 и первую диафрагму 17. Далее сформированный узкий пучок света попадает на исследуемый образец крови 5 и приемник излучения 3, основной частью которого является фотоэлемент 20, также он содержит второй микрообъектив 19 и вторую диафрагму 18.

Работает заявленное устройство следующим образом. Подготовку капилляра с кровью к исследованию проводят по стандартной клинической методике. У обследуемого производят отбор крови в трубку (капилляр) из пальца или вены. В пипетку, предварительно промытую несколько раз свежеприготовленным раствором 5% лимоннокислого натрия или другого антикоагулянта, набирают определенный объем антикоагулянта и выпускают в пробирку. Затем дважды набирают такой же объем крови и смешивают с первой порцией, т.е. соотношение объемов антикоагулянта с кровью 1:4. Полученный раствор цельной крови с антикоагулянтом набирают в стандартный капилляр и устанавливают в прибор для измерений. Температура в процессе осаждения должна быть 18-20^oС.

Капилляр с кровью устанавливается вертикально в устройство и удерживается в нем средством 4 удержания, как уже отмечалось, используется стандартный капилляр. Корпус 13 крепится на неподвижном основании таким образом, что его можно наклонять до 90^o от вертикального положения. Таким образом, становятся доступны экспресс-методики определения СОЭ при наклонном положении капилляра (45^o относительно нормали).

Далее запускается разработанная программа регистрации кривой осаждения. Процессор 11 постоянно опрашивает схему сравнения 7 (максимальная частота опроса зависит от типа используемого процессора). Если сформированный источником излучения 2 узкий пучок света проходит через воздух или плазму, т.е. граница плазма-эритроциты опустилась ниже оптической оси, то мощность излучения, принятая приемником излучения 3, достаточна для формирования на выходе схемы сравнения 7 логической единицы. После чего процессор 11 выдает команду на схему управления шаговым двигателем 10 сделать один шаг в сторону поднятия капилляра. Шаговый двигатель 9 поворачивается на угол, соответствующий одному шагу, на выходе редуктора 8 угол уменьшается в коэффициент редукции раз и средство удержания 4 вместе с капилляром 5 смещается вверх на некоторую величину, не превышающую 0,6 мкм, посредством передачи усилия от выходной шестерни редуктора к зубчатой рамке, являющейся частью средства удержания 4. Далее процессор 11 вновь считывает текущее состояние схемы сравнения 7 и, если получен логический 0, т.е. прохождению пучка света препятствуют эритроциты и мощность излучения, принятая приемником излучения 3, не достаточна для формирования на выходе схемы сравнения 7 логической единицы, то на схему управления 10 шаговым двигателем 9 посылается команда сделать один шаг в обратную сторону и аналогично капилляр 5 смещается вниз. При начальной установке капилляра смещение и время не запоминается до установки оптической оси на границу раздела плазма-эритроциты. После чего начинается отсчет времени осаждения и отслеживание смещения (по количеству шагов шагового двигателя). Далее оптическая ось постоянно удерживается на границе раздела. Весь процесс регистрируется в выходном устройстве 12. Кривая осаждения представляет собой график зависимости осаждения эритроцитов (в мм) от времени. Программа позволяет задавать любое время регистрации. После окончания времени кривая осаждения сохраняется в файле в виде последовательности точек.

По сравнению с прототипом устройство содержит редуктор, позволяющий увеличить точность позиционирования, движение от шагового двигателя передается на устройство удержания капилляра, а не на сенсорную головку, кроме того, корпус закреплен на неподвижном основании с возможностью поворота его до 90^o от вертикали для применения экспресс-методик определения параметров осаждения эритроцитов.

Основные преимущества:

- увеличение точности определения осаждения до 0,6 мкм;

- увеличение количества снимаемых точек за один и тот же промежуток времени (до нескольких тысяч в секунду в зависимости от возможностей процессора);

- более простая конструкция сенсорной головки, т. к. она остается неподвижной;

- возможность поворота корпуса до 90^o от вертикали, что позволяет при

Источники информации

1. Патент US 5575977 А, 19.11.96 - аналог.

2. Патент РФ 2128945, БИ 11 от 20.04.1999, МКИ 6 А 61 В 10/00 - аналог.

3. Патент US 4041502 А, 1978 - прототип.

4. Voeikov V.L., Kondakov S.E., Gurfinkel Yu. I., Bulargina Yu.S., Buravleva E. V. High-temporal-resolution of red blood sedimentation dynamics reveals non-linear and cooperative properties in whole blood // Abstracts of 2nd International Alexander Gurwitsch" Conference "Non-equilibrium and coherent systems in biology, biophysics and biotechnology", Moscow, September 6-10, 1999. - http://soil.msu.ru/-nal/abstracts.htmlи