Способ исследования биологических жидкостей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике, и может быть использовано для оценки состояния здоровья человека по количественным показателям инфракрасного спектра биологических жидкостей, например крови. Подготовительную пробу биологической жидкости сразу после взятия смешивают с равным объемом водно-спиртовой смеси и помещают в кювету устройства, которое представляет собой одноканальный ИК-спектроанализатор, обладающий повышенной чувствительностью в тех участках спектра, где значения показателей инфракрасного спектра наиболее ярко отражают особенности молекулярных связей воды и фундаментальных компонентов биологических жидкостей, в частности крови. Полученные устройством данные о биологических жидкостях обрабатываются компьютерными программами. Программы позволяют определить абсолютное содержание отдельного компонента или оценивать биологическую жидкость как систему в целом. Позволяют проводить диагностику и прогнозирование функционального состояния организма по сформированным для этих целей эталонам. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике, и может быть использовано для оценки состояния здоровья человека по количественным показателям инфракрасного спектра биологических жидкостей, например крови.

Известен способ (1) исследования биологических жидкостей, включающий помещение в ячейку пробу крови, введение пробы крови в контакт с электродом и пропускание импульсного тока с последующим измерением электропроводности.

Известны также способы (2,3) исследования биологических жидкостей классическими методами инфракрасной (ИК) спектроскопии, заключающиеся в том, что предварительно из пробы биологической жидкости удаляют водную составляющую, если такая имеется, и помещают высушенную пробу в кювету, через которую пропускают ИК-излучение и регистрируют коэффициент пропускания (КПР), затем сравнивают полученный КПР с КПР образца, находящегося в другой кювете.

Недостатками перечисленных способов являются косвенная характеристика биологической активности исследуемых жидкостей, определяемая по их электрофизическим параметрам, а также отсутствие возможности регистрировать особенности их функционального состояния, например, в крови. Инфракрасные методы исследования биологических жидкостей предполагают предварительное исключение из биологической жидкости водной составляющей. Такое высушивание биологической жидкости приводит к необратимым изменениям нативной структуры ее компонентов.

Для исследования биологических жидкостей применяются устройства, измеряющие их различные физические характеристики. Известно устройство (4), которое измеряет проводимость биологической жидкости путем пропускания через нее импульсного тока.

Также известно устройство (5), реализующее метод ИК-спектроскопии, принцип действия которого заключается в следующем.

ИК-излучение от источника направляется двумя пучками, в одном из которых помещается исследуемый образец, в другом - образец сравнения. Фотометрические свойства пучков одинаковые. Оба пучка направляются на трехсекционный модулятор. При вращении модулятора в монохроматор (дифракционная решетка) поступает последовательно ИК-излучение, прошедшее через кювету с находящейся в ней жидкостью - образец сравнения, через кювету с исследуемой жидкостью и фон (отсутствие оптического сигнала). С термоэлемента снимается переменный электрический сигнал, частота которого равна частоте вращения модулятора. Фаза сигнала зависит от соотношения интенсивности излучения, прошедшего через исследуемый образец, и излучения, прошедшего через образец сравнения, и пропорциональна КПР. Таким образом измерение КПР исследуемой жидкости происходит непрерывно во всех точках спектрального диапазона устройства.

Устройство (5) выбрано в качестве прототипа предлагаемого технического решения.

Недостатками прототипа являются: 1. Процесс калибровки осуществляется с использованием двух кювет, отдельно для образца и исследуемой жидкости, при этом их различие приводит к снижению точности измерения КПР; 2. Измерение КПР происходит непрерывно во всем спектральном диапазоне прототипа, что увеличивает время измерения, этот недостаток особенно актуален при исследовании динамики процессов, происходящих в жидкости; 3. Использование в качестве приемника ИК-излучения термоэлемента, обладающего низкой чувствительностью, влечет за собой повышение мощности ИК-источника, что может привести к изменениям физико-химических свойств исследуемой жидкости, в тоже время значительное усиление сигнала от приемника нежелательно, вместе с сигналом происходит усиление шумов.

Новизна изобретения заключается в следующем: подготовительную пробу крови сразу после взятия (через 20-30 с) смешивают с равным объемом водно-спиртовой смеси (3: 7 по объему) и помещают в кювету специально сконструированного для этих целей устройства, которое представляет собой одноканальный ИК-спектроанализатор, работающий в диапазоне ИК-излучения от 4000 до 800 см^-1, разбитом на узкие зоны полосовыми фильтрами, положение и число последних выбрано исходя из особенностей спектра поглощения воды и фундаментальных компонентов биологических жидкостей, в частности крови. Носителем информации о КПР является разность амплитуд (сигнал, прошедший через кювету с контрольной жидкостью, и сигнал, прошедшей через ту же кювету с исследуемой жидкостью) на выходе чувствительного фотоприемника. Устройство сопряжено с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ). Полученные устройством данные о КПР биологических жидкостях обрабатываются компьютерными программами, позволяющими определить абсолютное содержание отдельного компонента или оценивать биологическую жидкость как систему в целом, проводя диагностику и прогнозирование по выбранным эталонам.

Преимуществом способа является проведение анализа свойств биологической жидкости без ее предварительного высушивания, кроме того свойства воды, входящей в состав исследуемой жидкости, также являются источником информации. Предложенный способ позволяет напрямую исследовать строение биологической жидкости, поскольку частота поглощенного ИК-излучения равна характеристической частоте валентных и деформационных колебаний их связей.

Преимуществами предложенного устройства является следующие: увеличена точность измерения КПР; уменьшено время измерения КПР; повышена чувствительность ИК-анализа.

Принцип действия устройства основан на сравнении светового потока Ф_o, проходящего через контрольную жидкость, по отношению к которому производится измерение, и светового потока Ф, проходящего через исследуемую биологическую жидкость. Световые потоки Ф_o и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы V_o, V и V_t (V_t - сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются ПЭВМ и вычисляется КПР.

Коэффициент пропускания исследуемой жидкости определяется как отношение потоков или сигналов.

КПР = (Ф/Ф_o)·100% = (V-V_t)/(V_o-V_t)·100%.

Принцип работы устройства представлен на фиг. 1.

ИК-излучение источника 1 (в качестве источника ИК-излучения используется глобар - стержень из карбида кремния) проходит через кювету 2, в которой находится контрольная или исследуемая биологическая жидкость. Далее излучение проходит через модулятор 3 и попадает на фотоприемник 4 (полупроводниковый болометр) и преобразуется в электрический сигнал. Модулятор 3 расположен перед входным зрачком фотоприемника и представляет собой диск с 9 полосовыми фильтрами 5, выполняющими функцию монохроматора, расположенными по окружности. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока 6 со скоростью 1-2 об/с. С помощью блока светодиодов 7, блока фотодиодов 8 и специальных синхроотверстий на диске модулятора, в узле синхронизации 9 формируются синхросигналы: "Строб", "Пуск 0", "Пуск 1". Эти сигналы поступают на управляющие входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10, а сигнал "Пуск 1" кроме того поступает на узел стабилизации вращения двигателя 11. Выходные сигналы фотоприемника "а" усиливаются видеоусилителем 12 и поступают на АЦП 10, где оцифровываются, смешиваются с синхросигналами "б" и через адаптер поступают в ПЭВМ. Временные диаграммы сигналов представлены на фиг.2.

Синхросигналы "Пуск 1" формируются в момент, когда оптические центры полосовых фильтров пересекают оптическую ось "глобар-болометр". Эти сигналы при готовности ПЭВМ фиксируют значения сигнала на выходе видеоусилителя и запускают АЦП. После готовности АЦП, значение которого считывается ПЭВМ, осуществляется регистрация цифровых значений полученного сигнала.

Синхросигнал "Строб" формируется в моменты смены полосовых фильтров и используется для формирования кода номера канала. Код номера канала периодически сбрасывается в "0" синхросигналом "Пуск 0".

Узел АЦП формирует дополнительный синхросигнал "Сброс ВУ", поступающий на вход видеоусилителя. Синхросигнал "Сброс ВУ" формируется по сигналу "Пуск 1", когда код номера канала равен "9". В этот момент вместо полосового фильтра оптическую ось "глобар-болометр" пересекает заглушка, не пропускающая ИК-излучение. Значение видеосигнала, полученное по 9-му каналу, используется при вычислении КПР.

Программное обеспечение анализатора позволяет осуществлять прием и обработку данных, процедуру калибровки и вычисление характеристик исследуемых биологических жидкостей, ошибки измерения, а также протоколирование результатов, создание и редактирование базы данных по исследуемым жидкостям с выводом информации на монитор и принтер.

Список сокращений (аббревиатур): ИК - инфракрасный КПР - коэффициент пропускания ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина АЦП - аналого-цифровой преобразователь Список литературы: 1. Авторское свидетельство СССР N 679859, кл. G 01 N 27/02, 1975.

2. Кейтс М. Техника липидологии, М., Мир, 1975, с.107-112.

3. Исаков А.В. Лабораторное дело, М., Медицина, 1980, N 5, с. 290-293.

4. Патент Российской Федерации N 2089906, кл. G 01 N 33/487, 1997.

5. Спектрофотометр инфракрасный ИКС-40. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ЛОМО, Ленинград, 1992.

Формула изобретения

1. Способ исследования биологических жидкостей, включающий измерение ее коэффициента пропускания инфракрасного излучения, отличающийся тем, что пробу биологической жидкости сразу после взятия через 20- 30 с смешивают с равным объемом водно-спиртовой смеси 3 : 7 по объему и помещают в кювету устройства.

2. Устройство для исследования биологических жидкостей, содержащее кювету с жидкостью, источник ИК-излучения, модулятор, монохроматор и приемник излучения, отличающееся тем, что между кюветой и приемником излучения введен вращающийся диск с отверстиями, в которых расположены фильтры, пропускающие излучение в узких участках спектра, при этом положение и число фильтров на диске выбрано из особенностей спектра поглощения воды и компонентов биологической жидкости.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введен полупроводниковый фотоприемник инфракрасного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2