Устройство для измерения агрегационного состояния и деформационного состояния эритроцитов и способ его применения

Изобретение относится к исследованию реологических свойств крови. Устройство содержит цилиндр с прозрачными стенками, установленный на валу шагового двигателя, неподвижный прозрачный цилиндр той же формы, размещенный соосно внутри внешнего цилиндра, источник света и светоприемник внутри стакана. Наружный цилиндр выполнен съемным с возможной заменой на аналогичный, который при установке автоматически центрируется соосно с внутренним неподвижным цилиндром при помощи магнитного захвата с точностью до 0,02% от его диаметра. Лазерный источник света расположен горизонтально во внутреннем неподвижном цилиндре. Четыре светоприемника для измерения рассеянного света расположены попарно в вертикальном и горизонтальном направлении вокруг лазерного луча Способ проводится с использованием устройства по п.1 и заключается в том, что наружный цилиндр приводят во вращение с дискретным изменением скорости сдвига в зазоре между цилиндрами и временным интервалом 0,5-2,0 мин для регистрации переходного процесса и обработки дифракционной картины, причем процесс изменения скорости сдвига проводят в прямом и обратном направлениях в диапазоне от 2,5 до 4000 обратных секунд, а измерение интенсивности обратно рассеянного света осуществляется по направлениям вдоль и поперек потока относительно места вхождения луча света. Технический результат состоит в упрощении использования. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к реологии крови (гематология, физиология), а именно к биомеханическим свойствам крови, и может быть использовано в клинической и экспериментальной медицине, патофизиологии, фармакологии, биомеханике и биофизике.

Известны способы определения скорости агрегации эритроцитов путем регистрации (измерения) изменения во времени интенсивности света, входящего и выходящего из крови.

Ehrly albrecht, Scinid Hans Türgen.

"Vorrichtung zur messung der aggregations geschndegkein der rotten Blutkörperchen in Blut." ФРГ кл. G01N 33/16, заявл. 18.01.1978, опубл. 19.07.1979 №28020033, NP 28020033.9. В.А.Левтов и др. «Об одном оптическом эффекте при течении крови». Механика жидкости и газа, Изв. АН СССР, 1971, №6, 161-165.

Недостатком является то, что эти способы оценивают только процесс спонтанной агрегации эритроцитов во времени, но не дает возможности оценить количественно гидродинамическую прочность агрегатов и деформационные характеристики эритроцитов, которые определяют возможность их прохождения по зоне микроциркуляции. Количественное определение гидродинамической прочности агрегатов, гистерезиса агрегационных свойств крови и деформационной способности эритроцитов и их отдельных структур, достигается тем, что интенсивность рассеянного света измеряется при дискретном пошаговом изменении скорости сдвига по циклу в диапазоне от 2.5 до 4000 с^-1 и от 4000 до 2.5 с^-1 с временным интервалом 0,5-2,0 мин, а также измерением интенсивности рассеянного света после остановки потока вдоль и поперек потока относительно места вхождения луча света.

Такой способ оказывается возможным осуществить благодаря специально разработанному устройству, отличительной особенностью которого является расположение 4-х фотоприемников рассеянного света вокруг лазерного луча в непосредственном соприкосновении с ним у внутренней стенке неподвижного цилиндра измерительной кюветы в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Устройство поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлена блок-схема устройства.

На Фиг.2 представлены кривые изменения обратного светорассеяния вдоль и поперек направления сдвигового потока при увеличении скорости сдвига.

Кровь, содержащая эритроциты с высокой деформационной способностью и малой агрегационной способностью.

На Фиг.3 представлены кривые изменения обратного светорассеяния вдоль и поперек направления сдвигового потока для крови, содержащей недеформированные эритроциты.

На Фиг.4 представлено изменение светорассеяния при дискретном увеличении скорости сдвига от 2.5 до 140 с^-1 и способ получения измеряемых величин.

На Фиг.5 представлен график зависимости ln(I - I₀) от скорости сдвига и способ определения константы гидродинамической прочности агрегатов (β).

На Фиг.6 показан переходный процесс изменения светорассеяния при скачке скорости сдвига от 4 до 16 с^-1 при гиперагрегационном синдроме.

На Фиг.7 проиллюстрирован способ получения константы скорости распада агрегатов при фиксированной скорости сдвига на основе измерений на Фиг.6.

На Фиг.8 приведена полученная петля гистерезиса для нормальной крови в диапазоне изменения скорости сдвига от 2,5 до 110 с^-1.

На Фиг.9 приведена полученная петля гистерезиса для патологической крови при изменении скорости сдвига от 2,5 до 110 с^-1.

На Фиг.10 приведена петля гистерезиса в виде восьмерки. Петля получена при изменении скорости сдвига от 2,5 до 110 с^-1.

На Фиг.11 показана полная кривая деформации эритроцитов как зависимость ID=(H-h)/(H+h) от логарифма скорости сдвига и способ получения основных показателей деформационной способности эритроцитов.

Способ измерения агрегационного состояния эритроцитов и их деформационной способности описан на примерах конкретного исполнения.

Пример 1

Объектом исследования служит кровь (стабилизированная трилоном Б), помещенная в кювету устройства. Устройство содержит (Фиг.1) неподвижный (не вращающийся) прозрачный цилиндр (1), снабженный прецизионным механизмом «спуск-подъем» (2) и находящийся соосно внутри съемной цилиндрической емкости (3), которая удерживается на оси шагового двигателя (4) при помощи специального магнитного захвата, допускающего отклонение от соосности не более 0,02% от диаметра наружного цилиндра. Это позволяет легко снимать наружную кювету для ее чистки или замены на аналогичную. Внутри неподвижного цилиндра (1) находится источник света (5) лазер, луч которого проходит через обе цилиндрические поверхности и кровь перпендикулярно их стенкам. Четыре светоприемника (6) расположены вокруг луча лазера. Два светоприемника расположены по вертикали, два по горизонтали, т.е. вдоль и поперек светового потока.

При исследовании крови, находящейся в кювете, между цилиндрами (1) и (3), в результате вращения шагового двигателя создается однородное поле скоростей сдвига.

В настоящем исследовании на Фиг.2 представлено изменение обратного светорассеяния вдоль и поперек направления сдвигового потока. При максимальных скоростях сдвига устанавливается уровень интенсивности светорассеяния Iо, значительно отличающийся от направлений вдоль и поперек потока. При остановке потока происходит мгновенное возвращение уровня светорассеяния до Imax, что связано с восстановлением формы эритроцитов. Этот процесс либо полностью отсутствует при измерении светорассеяния поперек, либо он незначителен. Для определения количественной меры деформации измеряется амплитуда выброса вдоль потока I_|| и амплитуда выброса поперек потока I_⊥, а полученные значения складываются.

Пример 2

Берется кровь в соответствии с Примером 1 и подвергается той же процедуре исследования, которая показана на Фиг.3. Характерным для данного образца крови (наследственный сфероцитоз) является полное отсутствие анизотропии рассеяния в виде выброса I, что указывает на отсутствие деформационной способности эритроцитов.

Пример 3

Берется кровь в соответствии с примером 1 и подвергается после покоя в течение 2-х минут сдвигу при дискретном увеличении скорости сдвига от 2.5 до 140 с^-1.

На Фиг.4 видно характерное ступенчатое изменение интенсивности светорассеяния при дискретном увеличении скорости сдвига. При включении скорости сдвига 2.5 с^-1 интенсивность светорассеяния для нормальной крови увеличивается в среднем на 28%, что соответствует пропорциональному уменьшению размеров образовавшихся в покое агрегатов. Как показывает теория и эксперимент, зависимость интенсивности обратного светорассеяния от скорости сдвига имеет вид

где β является показателем общей гидродинамической прочности эритроцитарных агрегатов. Для вычисления β измеряется величина (I - I₀) и строится график функции в полулогарифмической системе координат (Фиг.5). Тангенс угла наклона графика равен β. Показатель β - это диапазон изменений скорости сдвига, при котором размер агрегатов уменьшается в 2.7 раза. В норме β≈28 с^-1, а патологических случаях гиперагрегации эритроцитов может достигать 60 с^-1 и более.

Пример 4

Дискретное изменение скорости сдвига позволяет зарегистрировать переходные процессы в крови. Кровь обрабатывается как в примере 1: подвергается сначала сдвигу при 4 с^-1 в течение 90 секунд, а затем сдвигу при 16 с^-1, после чего возвращается к 4 с^-1. На Фиг.6 видно, что процесс дезагрегации осуществляется плавно, а расчеты показывают соответствие этого процесса функции

где константа ζ определяет быстроту разрушения агрегатов, т.е. тяжесть гемореологических нарушений. Константа вычисляется после построения функции ln(I_I - I_(t)=f(t) как тангенс угла наклона графика Фиг.7. Переходный процесс образования агрегатов при уменьшении скорости сдвига до 4с-1 осуществляется по закону

где <N> - средний размер агрегата,

t - время,

β и α - константы,

γ - скорость сдвига.

В соответствии с компьютерной программой изменение интенсивности светорассеяния I_(t) в ответ на ступенчатое изменение скорости сдвига представлено как обратная величина 1/I_(t) и точки, соответствующие равновесным значениям I при 4 с^-1, сопрягаются. Мерой гиперагрегации служит полученная петля гистерезиса.

Пример 5

Образец крови, приготовленный как в примере 1, подвергается последовательному изменению скорости сдвига от 2.5. до 110 с^-1 и обратно от 110 до 2.5 с^-1, в результате чего получается петля гистерезиса. В норме площадь петли минимальна, а при гиперагрегации весьма значительна, как это показано на Фиг.8, 9, 10. Численное значение площади петли гистерезиса является мерой гиперагрегационной патологии.

Пример 6

В измерительную кювету (пространство между соосными прозрачными цилиндрами) помещается взвесь эритроцитов при разведении крови в 300 раз. Взвешивающей жидкостью является изотонический раствор высокомолекулярного полимера с вязкостью η=10-20 сПз (мПа·с).

Взвесь подвергается последовательному изменению скорости сдвига от 10 до 4000 с^-1. Луч лазера дифрагирует на отдельных эритроцитах, давая дифракционную картину в виде окружностей при малых скоростях сдвига и эллипсов при высоких скоростях сдвига. Измеряемый прибором индекс эллиптичности IE=Н-h/Н+h, (H - большая ось эллипса, h - малая) соответствует степени деформации сдвигового потока (ID). На Фиг.9 показана полная зависимость индекса ID=IE от логарифма скорости сдвига. На графике выделяем точку начала деформации эритроцитов и, умножая значение на вязкость взвешивающего раствора η, получаем предел текучести мембраны эритроцита в размерностях Н/см² или в мПа. Тангенс угла наклона графика зависит от внутренней вязкости эритроцита, а значение индекса деформации при максимальной скорости сдвига дает предельную деформацию эритроцита.

Предложенный способ и устройство позволяет впервые получить в одном эксперименте все основные агрегационные и деформационные свойства эритроцитов при существенном упрощении пользования прибором со сменным автоматически центрирующимся наружным цилиндром. Это стало возможно в результате нового теоретического подхода, который был подтвержден экспериментально.

1. Устройство для исследования микрореологических свойств крови, содержащее цилиндр с прозрачными стенками, установленный на валу шагового двигателя, неподвижный прозрачный цилиндр той же формы, размещенный соосно внутри внешнего цилиндра, источник света и светоприемник внутри стакана, отличающееся тем, что наружный цилиндр выполнен съемным с возможной заменой на аналогичный, который при установке автоматически центрируется соосно с внутренним неподвижным цилиндром при помощи магнитного захвата с точностью до 0,02% от его диаметра, причем лазерный источник света расположен горизонтально во внутреннем неподвижном цилиндре, а четыре светоприемника для измерения рассеянного света расположены попарно в вертикальном и горизонтальном направлении вокруг лазерного луча, падающего перпендикулярно стенке, непосредственно примыкая к внутренней стенке невращающегося прозрачного цилиндра.

2. Способ исследования микрореологических свойств крови с использованием устройства по п.1, заключающийся в том, что наружный цилиндр приводят во вращение с дискретным изменением скорости сдвига в зазоре между цилиндрами и временным интервалом 0,5-2,0 мин для регистрации переходного процесса и обработки дифракционной картины, причем процесс изменения скорости сдвига проводят в прямом и обратном направлении в диапазоне от 2,5 до 4000 обратных секунд, а измерение интенсивности обратно рассеянного света осуществляется по направлениям вдоль и поперек потока относительно места вхождения луча света с целью определения деформации эритроцитов в потоке.