RU2137126C1

RU2137126C1 - Method examining biological fluids and device for its implementation

Info

Publication number: RU2137126C1
Application number: RU98108578A
Authority: RU
Inventors: А.В. Каргаполов; А.М. Плигин; Г.М. Зубарева; Г.П. Шматов
Original assignee: Тверская государственная медицинская академия; Каргаполов Александр Васильевич; Плигин Александр Михайлович; Зубарева Галина Мефодиевна; Шматов Геннадий Павлович
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: medicine, medical technologies, evaluation of condition of man by quantitative indices of infrared spectrum of biological fluids, for instance, blood. SUBSTANCE: preparation sample of biological fluid is mixed right after taking with equal volume of water-and-alcohol mixture and is placed into dish of device that is single-channel IR spectrum analyzer displaying increased sensitivity in those sections of spectrum where values of indices of IR spectrum display most strikingly peculiarities of molecular links of water and fundamental components of biological fluids, specifically, blood. Data on biological fluids generated by device are processed with use of computer programs. Programs makes it possible to determine absolute content of separate component or to evaluate biological fluid as whole system. EFFECT: diagnostics and prediction of functional state of organism by standards formed for these purposes. 3 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to medicine, namely to medical equipment, and can be used to assess the state of human health by quantitative indicators of the infrared spectrum of biological fluids, such as blood.

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. The known method (1) of the study of biological fluids, comprising placing a blood sample in the cell, introducing a blood sample into contact with the electrode and transmitting a pulsed current with subsequent measurement of electrical conductivity.

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. There are also known methods (2,3) for studying biological fluids by classical methods of infrared (IR) spectroscopy, which consist of first removing the aqueous component, if any, from a biological fluid sample and placing the dried sample in a cuvette through which infrared radiation is passed and transmittance (CRC) is recorded, then the obtained CRC is compared with the CRC of a sample located in another cuvette.

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. The disadvantages of these methods are the indirect characteristic of the biological activity of the studied liquids, determined by their electrophysical parameters, as well as the inability to register features of their functional state, for example, in the blood. Infrared methods for the study of biological fluids involve the preliminary exclusion of an aqueous component from a biological fluid. Such drying of the biological fluid leads to irreversible changes in the native structure of its components.

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. For the study of biological fluids, devices are used that measure their various physical characteristics. A device (4) is known which measures the conductivity of a biological fluid by passing a pulse current through it.

Также известно устройство (5), реализующее метод ИК-спектроскопии, принцип действия которого заключается в следующем. It is also known a device (5) that implements the method of IR spectroscopy, the principle of which is as follows.

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. IR radiation from the source is directed by two beams, in one of which the test sample is placed, in the other - the comparison sample. The photometric properties of the beams are the same. Both beams are sent to a three-section modulator. When the modulator rotates, a monochromator (diffraction grating) sequentially receives infrared radiation that has passed through a cuvette with a liquid in it — a comparison sample, through a cuvette with the studied liquid and background (absence of an optical signal). An alternating electrical signal is removed from the thermocouple, the frequency of which is equal to the speed of the modulator. The phase of the signal depends on the ratio of the intensity of the radiation passing through the test sample and the radiation passing through the reference sample, and is proportional to the CRC. Thus, the measurement of the CRC of the investigated fluid occurs continuously at all points of the spectral range of the device.

Устройство (5) выбрано в качестве прототипа предлагаемого технического решения. Device (5) is selected as a prototype of the proposed technical solution.

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.The disadvantages of the prototype are:
1. The calibration process is carried out using two cuvettes, separately for the sample and the test fluid, while their difference leads to a decrease in the accuracy of the CRC measurement;
2. The measurement of CRC occurs continuously in the entire spectral range of the prototype, which increases the measurement time, this disadvantage is especially relevant when studying the dynamics of processes occurring in a liquid;
3. The use of a thermocouple having a low sensitivity as a receiver of IR radiation entails an increase in the power of the IR source, which can lead to changes in the physicochemical properties of the studied fluid, at the same time, a significant amplification of the signal from the receiver is undesirable, together with the signal noise amplification.

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.The novelty of the invention is as follows: a preparatory blood sample immediately after taking (after 20-30 s) is mixed with an equal volume of a water-alcohol mixture (3: 7 by volume) and placed in a cuvette of a device specially designed for this purpose, which is a single-channel IR -spectroanalyzer operating in the infrared range from 4000 to 800 cm ^-1 , divided into narrow zones by band-pass filters, the position and number of the latter are selected based on the characteristics of the absorption spectrum of water and the fundamental components of biological fluids awns, in particular blood. The carrier of information on the CRC is the difference in amplitudes (the signal passed through the cuvette with the control fluid and the signal passed through the same cuvette with the test fluid) at the output of the sensitive photodetector. The device is paired with a personal electronic computer (PC). The data on the CRC of biological fluids obtained by the device are processed by computer programs, which make it possible to determine the absolute content of an individual component or evaluate the biological fluid as a system as a whole, by diagnosing and predicting the selected standards.

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. The advantage of the method is the analysis of the properties of a biological fluid without first drying it; moreover, the properties of the water included in the test fluid are also a source of information. The proposed method allows you to directly study the structure of the biological fluid, since the frequency of the absorbed infrared radiation is equal to the characteristic frequency of the stretching and deformation vibrations of their bonds.

Преимуществами предложенного устройства является следующие: увеличена точность измерения КПР; уменьшено время измерения КПР; повышена чувствительность ИК-анализа. The advantages of the proposed device is the following: increased accuracy of measuring CRC; reduced CRC measurement time; increased sensitivity of IR analysis.

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.The principle of operation of the device is based on a comparison of the luminous flux Φ _o passing through the control fluid with respect to which the measurement is made and the luminous flux Φ passing through the test biological fluid. The light fluxes Ф _o and Ф by the photodetector are converted into electrical signals V _o , V and V _t (V _t is the signal with an unlit receiver), which are processed by a PC and the CRC is calculated.

Коэффициент пропускания исследуемой жидкости определяется как отношение потоков или сигналов. The transmittance of the test fluid is defined as the ratio of flows or signals.

КПР = (Ф/Ф_o)•100% = (V-V_t)/(V_o-V_t)•100%.CRC = (F / F _o ) • 100% = (VV _t ) / (V _o -V _t ) • 100%.

Принцип работы устройства представлен на фиг. 1. The principle of operation of the device is shown in FIG. 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. The IR radiation of source 1 (a globar — a silicon carbide rod — is used as the source of IR radiation) passes through cell 2, in which a control or test biological fluid is located. Then the radiation passes through the modulator 3 and enters the photodetector 4 (semiconductor bolometer) and is converted into an electrical signal. The modulator 3 is located in front of the entrance pupil of the photodetector and is a disk with 9 band-pass filters 5, performing the function of a monochromator, located around the circumference. The disk is driven by a DC motor 6 at a speed of 1-2 r / s. Using the block of LEDs 7, the block of photodiodes 8 and special clock holes on the modulator disk, in the synchronization node 9, the clock signals are generated: "Strobe", "Start 0", "Start 1". These signals are fed to the control inputs of the analog-to-digital converter (ADC) 10, and the “Start 1” signal is also fed to the engine rotation stabilization unit 11. The output signals of the photodetector “a” are amplified by the video amplifier 12 and fed to the ADC 10, where they are digitized and mixed with clock signals "b" and through the adapter are fed into the PC. Timing diagrams of the signals are presented in figure 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. Start 1 clock signals are generated at the moment when the optical centers of the bandpass filters cross the optical axis of the globar-bolometer. These signals, when the PC is ready, fix the signal value at the output of the video amplifier and start the ADC. After the ADC is ready, the value of which is read by the PC, the digital values of the received signal are recorded.

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". The "Strobe" clock signal is generated at the moments of changing the band-pass filters and is used to generate the channel number code. The channel number code is periodically reset to "0" by the "Start 0" clock signal.

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. The ADC unit generates an additional clock signal "Reset WU", which is input to the video amplifier. The sync signal "Reset WU" is generated by the signal "Start 1" when the channel number code is "9". At this moment, instead of a band-pass filter, the optical axis of the "globar-bolometer" is crossed by a plug that does not transmit infrared radiation. The value of the video signal received on the 9th channel is used in calculating the CRC.

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. The analyzer software allows receiving and processing data, the calibration procedure and calculation of the characteristics of the studied biological fluids, measurement errors, as well as recording results, creating and editing a database of the studied fluids with information displayed on a monitor and printer.

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.List of abbreviations (abbreviations):
IR - infrared
CRC - transmittance
PC - personal electronic computer
ADC - analog-to-digital converter
List of references:
1. USSR author's certificate N 679859, cl. G 01 N 27/02, 1975.

2. Кейтс М. Техника липидологии, М., Мир, 1975, с.107-112. 2. Cates M. Technique of lipidology, M., World, 1975, S. 107-112.

3. Исаков А.В. Лабораторное дело, М., Медицина, 1980, N 5, с. 290-293. 3. Isakov A.V. Laboratory work, M., Medicine, 1980, N 5, p. 290-293.

4. Патент Российской Федерации N 2089906, кл. G 01 N 33/487, 1997. 4. Patent of the Russian Federation N 2089906, cl. G 01 N 33/487, 1997.

5. Спектрофотометр инфракрасный ИКС-40. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ЛОМО, Ленинград, 1992. 5. Spectrophotometer infrared IKS-40. Technical description and user manual, LOMO, Leningrad, 1992.

Claims

1. A method for studying biological fluids, including measuring its transmittance of infrared radiation, characterized in that the sample of biological fluid immediately after being taken after 20-30 seconds is mixed with an equal volume of water-alcohol mixture 3: 7 by volume and placed in the cuvette of the device.

2. A device for the study of biological fluids containing a cuvette with a liquid, an infrared radiation source, a modulator, a monochromator and a radiation receiver, characterized in that a rotating disk with holes is inserted between the cuvette and the radiation receiver, in which there are filters that transmit radiation in narrow sections spectrum, with the position and number of filters on the disk selected from the characteristics of the absorption spectrum of water and components of the biological fluid.

3. The device according to claim 2, characterized in that a semiconductor photodetector of infrared radiation is introduced into it.