Устройство для ультразвукового контроля биологических жидкостей

 

Изобретение относится к ультразвуковому приборостроению, а именно к ультразвуковым интерферометрам постоянной длины, и может быть использовано в медицине и биологии для контроля акустичческих параметров малых объемов биологических жидкостей. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить функциональные возможности. Устройство содержит корпус с расположенной в нем измерительной камерой, выполненной в виде равных по высоте и соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов, преобразователи ультразвуковых колебаний, установленные на противоположных стенках камеры, нагревательный элемент, датчик температуры. В корпусе перпендикулярно оси преобразователей выполнен канал для заливки контролируемой жидкости, причем соотношения между V камеры, длиной L камеры и диаметрами меньшего d₁ и большего d₂ оснований усеченных конусов определенно выражениями L/d₁≅ 1,2; 0,5L ≅ (d₂-d₁) ≅ L V ≅ 0,1 см³. 4 ил.

Изобретение относится к ультразвуковому приборостроению, а именно к ультразвуковым интерферометрам постоянной длины, и может быть использовано в медицине и биологии для контроля акустических параметров биологических жидкостей, а также в молочной промышленности для экспресс-анализа молока и молочных продуктов, в фармакологии для определения качества лекарственных препаратов.

Такие измерения необходимы при ультразвуковом контроле желудочного сока для дифференциальной диагностики язвенной болезни и рака желудка, а также при ультразвуковом контроле сыворотки крови для дифференциальной диагностики вирусного гепатита и механических желтух.

После подготовки биологических жидкостей для ультразвукового контроля объем их составляет 0,5 см³. Причем для получения правильного результата необходимо выполнить не менее 3-х заливок каждого объекта, поэтому устройство для контроля биологических жидкостей, используемое в медицине, должно иметь объем измерительной камеры не более 0,1 см³.

В молочной промышленности при переработке молока и приготовлении качественных молочных продуктов (детское и диетическое питание) требуется быстрое определение их состава для правильной корректировки технологического цикла, оценки качества промежуточных продуктов и конечного продукта перед его окончательной расфасовкой, которая часто должна выполняться почти сразу после приготовления, чтобы сохранить свойства продукта и не подвергнуть его порче. Поэтому необходимо выполнение большого количества (80-100 в час) анализов молока и молочных продуктов. При использовании традиционных химических методов это невозможно. Для этого начинают использоваться акустические методы. При этом малые объемы акустических камер принципиально важны как с точки зрения минимальных потерь ценных продуктов, так и с точки зрения экспресности определения качества продукта, причем при объеме акустической камеры ≅0,1 см³ экспресность акустического анализа достигает необходимой достаточности 90-100 анализов в час.

Известен датчик для контроля биологических тканей, содержащий корпусы с выступающими пластинами, упругую прокладку между ними, крепежные регулирующее винты, скрепляющие оба корпуса. В выступающих пластинах закреплены излучающий и приемный пьезопреобразователи. Однако известный датчик не позволяет производить точный контроль биожидкостей потому, что наличие двух корпусов с упругой прокладкой затрудняет надежное прецизионное термостатирование корпусов, которое необходимо при контроле биожидкостей. Наличие упругой прокладки не позволяет длительное время сохранять параллельность пьезопреобразователей, которая необходима для формирования четких резонансных пиков датчика, представляющего собой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. С течением времени резонансные пики смещаются, что требует постоянного контроля параллельности пьезопреобразователей и расстояния между ними. Кроме того, заполнение пространства между пьезопреобразователями исследуемой биожидкостью также не позволяет проводить ее точный контроль, так как биожидкость удерживается в указанном пространстве за счет сил поверхностного натяжения, которые в свою очередь сложным образом зависят от свойств и состава биожидкости.

Наиболее близким к изобретению является устройство для ультразвукового контpоля биологических жидкостей, содержащее корпус, выполненный как единое целое неразделяющимся на составные части, расположенные в нем датчик температуры и измерительную камеру, установленные соосно на противоположных стенках камеры преобразователи ультразвуковых колебаний, размещенный на боковой поверхности корпуса нагревательный элемент, а в корпусе выполнен сквозной канал через измерительную камеру, выходы которого предназначены для присоединения шприца и иглы.

Недостатками данного устройства, принятого за прототип, являются недостаточная точность измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в биологической жидкости и ограниченный диапазон рабочих частот. Недостаточная точность измерения и ограниченный диапазон рабочих частот обусловлены тем, что измерительная камера выполнена в форме, имеющей боковую поверхность, параллельную оси преобразователей ультразвуковых колебаний, например в виде цилиндра.

Экспериментально установлено, что в устройстве-прототипе при объеме измерительной камеры не более 0,1 см³ вблизи резонансных частот появляются локальные максимумы сателлиты, что приводит к смещению центральной частоты резонансных пиков и увеличению ширины резонансных пиков из-за нарушения их симметрии, не связанных со скоростью распространения и коэффициентом поглощения ультразвука в контролируемой биожидкости. Положение сателлита относительно резонансного пика изменяется при изменении рабочей частоты (в большем диапазоне рабочих частот "сателлит" может переместиться с одного склона на другой), а также зависит от ультратразвуковых характеристик контролируемой биожидкости, т.е. величина смещения центральной частоты и дополнительное расширение резонансного пика, обусловленные наличием сателлита, непостоянны в процессе проведения измерений.

Таким образом, наличие "сателлита" приводит к появлению погрешности в измерении скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в биожидкости. Кроме того, в измерительной камере устройства, выбранного за прототип, происходят большие потери ультразвуковой энергии, не связанные с поглощением ультразвука в исследуемой жидкости, выражающиеся в малой амплитуде и большой ширине (плоской вершине) резонансных пиков, что приводит к погрешности измерения центральной частоты и ширины резонансных пиков, т.е. к появлению дополнительной погрешности измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука. Для прототипа характерно также, что резонансные пики образуются только в области частот, прилегающей к первой гармонике собственного резонанса преобразователей ультразвуковых колебаний, что снижает функциональные возможности устройства.

Недостатком данного устройства является также его сложность, обусловленная наличием шприца, иглы, специального наконечника на корпусе для насадки иглы и проходящего в нем сквозного канала через измерительную камеру.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения перечня контролируемых биожидкостей, получения возможности контроля тех биожидкостей, эффективная диагностика которых возможна только на высоких рабочих частотах. Биожидкость является сложной средой, разные компоненты которой имеют разную частотную зависимость коэффициента поглощения ультразвука (например, белки, ионы), соответственно, на разных частотах каждый компонент дает разный вклад в общий коэффициент поглощения ультразвука биожидкости, поэтому измеряя коэффициент поглощения ультразвука на разных частотах можно определять концентрации компонентов биожидкостей.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве-прототипе для ультразвукового контроля биологических жидкостей, содержащем корпус, расположенные в нем измерительную камеру с установленными соосно на ее противоположных стенках преобразователями ультразвуковых колебаний, нагревательный элемент, датчик температуры и канал в корпусе для заливки контролируемой жидкости, измерительная камера выполнена в виде равных по высоте и соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов, причем соотношения между объемом V камеры, длиной L камеры и диаметрами меньшего d₁ и большего d₂ оснований усеченных конусов определено выражениями: L/d₁≅1,2 0,5L≅(d₂ d₁) ≅L V 0,1 см³ Предлагаемое устройство, прототип и аналогичные устройства для измерения скорости распространения ультразвука используют измерение центральной частоты резонансного пика, при этом скорость распространения определяют по разности резонансных частот на исследуемой биожидкости и дистиллированной воде. В прототипе из-за наличия "сателлита" центральные частоты резонансов как на дистиллированной воде, так и на биожидкости, оказываются смещенными, причем величина дополнительного смещения разная для дистиллированной воды и для биожидкости, т. е. искомая разность значений резонансных частот искажается, что приводит к появлению погрешности измерения скорости распространения ультразвука. Абсолютная величина ошибки возрастает пропорционально разности резонансных частот на воде и биожидкости, в зависимости от выбранного для измерений номера резонансного пика, до 300 ц на каждые 10 кГц разности резонансных частот, что составляет погрешность 3% В предлагаемом устройстве "сателлиты" отсутствуют, т.е. указанная погрешность устраняется, что повышает точность измерения.

Предлагаемое устройство использует измерение ширины резонансного пика на уровне 0,7 от величины его амплитуды (0,7 А_max), при этом коэффициент поглощения определяют по разности величин ширины резонансного пика на исследуемой биожидкости и дистиллированной воде. В прототипе при контроле биожидкостей, имеющих большой коэффициент поглощения (например, в сыворотке крови коэффициент поглощения примерно в 2 раза больше, чем в дистиллированной воде), смещение "сателлита", уменьшенные амплитуды резонансного пика и увеличение его ширины приводят к тому, что "сателлит" сливается с резонансным пиком, и на уровне 0,7 max к ширине резонансного пика добавляется ширина "сателлита". При этом ошибка в вычислении коэффициента поглощения ультразвука в биожидкости достигает 50% В предлагаемом устройстве "сателлиты" отсутствуют и форма резонансных пиков симметричная, т.е. указанная погрешность устраняется, что повышает точность измерения.

В предлагаемом устройстве амплитуда высокочастотного сигнала, снимаемого с приемного преобразователя ультразвуковых колебаний на резонансной частоте, возросла на 6-10 дБ, а ширина резонансного пика уменьшилась в 2 раза за счет снижения потерь ультразвуковой энергии в измерительной камере, не связанных с поглощением ультразвука в исследуемой жидкости. Соответственно, указанная дополнительная погрешность измерения уменьшена до 0,6-1,2% В предлагаемом устройстве резонансные пики образуются в диапазоне частот, превышающем частоту пятой гармоники собственного резонанса преобразователей ультразвуковых колебаний, т.е. диапазон рабочих частот увеличен более чем в 4 раза.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для ультразвукового контроля биологических жидкостей; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 форма резонансного пика на дистиллированной воде в прототипе (1) и предлагаемом устройстве (2), представлены измеряемые величины центральной частоты F_о и ширины ΔF_о резонансного пика; на фиг. 4 форма резонансного пика на контролируемой биожидкости с большим коэффициентом поглощения в прототипе и предлагаемом устройстве, и показаны измеряемые величины ширины ΔF_s резонансного пика.

Устройство содержит корпус 1, измерительную камеру 2, измерительные преобразователи 3 и 4, нагревательный элемент 5, датчик 6 температуры, канал 7 для заливки контролируемой жидкости, выводы 8 нагревательного элемента 5, выводы 9 датчика температуры 6.

В предлагаемое устройство входят корпус 1, расположенные в нем измерительная камера 2, выполненная в виде соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов, и установленные соосно на ее противоположных стенках преобразователи 3 и 4 ультразвуковых колебаний, нагревательный элемент 5, датчик 6 температуры. В корпусе перпендикулярно оси преобразователей 3 и 4 ультразвуковых колебаний выполнен канал 7 для заливки контролируемой жидкости. Выводы 8 нагревательного элемента 5 и выводы 9 датчика температуры предназначены для подключения к блоку термостатирования (не показан).

Корпус 1 выполнен как единое целое неразделяющимся на составные части, чтобы исключить влияние толщины соединительного шва на соосность преобразователей 3, 4. Измерительная камера 2 вытачивается в корпусе в два этапа: сначала высверливается цилиндрический канал диаметром, равным диаметру малых оснований усеченных конусов, затем резцом специальной формы производится растачивание боковой поверхности измерительной камеры до придания ей формы соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов.

Измерительная камера выполнена в виде соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов V≅0,1 см³ L/d₁≅1,3 0,5 L≅(d₂ d₁) ≅L, где V объем измерительной камеры, L расстояние между пьезопреобразователями длина измерительной камеры;
d₁ диаметр излучающей поверхности пьезопреобразователей меньшее основание усеченных конусов;
d₂ большее основание усеченных конусов.

В качестве примера конкретного исполнения устройства для ультразвукового контроля биожидкостей, на котором получены результаты, представленные на фиг. 3 и 4 приводим следующие размеры измерительной камеры: V 0,91 см³; L 0,45 см; d₁0,35 см; d₂ 0,65 см.

Устройство работает следующим образом. Преобразователи 3 и 4 ультразвуковых колебаний, расположенные в корпусе 1, соединяют соответственно с выходом и входом измерительного прибора (не показан). Выводы 8 нагревательного элемента 5 и выводы 9 датчика 6 температуры соединяют с блоком термостатирования, создают необходимую температуру в измерительной камере 2. С помощью пипеточного дозатора через канал 7 в корпусе 1 в измерительную камеру заливают исследуемую биологическую жидкость и нагревают ее до требуемой температуры в течение установленного времени термостатирования. Высокочастотное напряжение с выхода измерительного прибора возбуждает входной преобразователь 3 измерительной камеры 2, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемой биожидкости, заполняющей камеру 2. В измерительной камере 2, выполненной в виде соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов, значительно уменьшено искажающее влияние на резонансную картину боковой поверхности камеры 2, что уменьшает потери ультразвуковой энергии в устройстве, не связанные с поглощением ультразвука в исследуемой биожидкости, и соответственно, уменьшается влияние этих потерь на точность измерения. Ультразвуковые волны преобразуются на приемном ультразвуковом преобразователе 4 камеры 2 в электрические колебания, поступающие на вход измерительного прибора, которым производятся измерения значения частоты, соответствующей максимальной амплитуде (А_max) электрического сигнала на приемном преобразователе 4 и двух значений частот, соответствующих уровню электрического сигнала 0,7 А_max.

Для измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в исследуемой биожидкости измерительную камеру 2 заполняют дистиллированной водой с известными значениями скорости распространения С_о и коэффициента поглощения α_о ультразвука. Измеряют установившиеся значения центральной частоты F_о и ширины ΔF_о одного из резонансных пиков в установленной полосе рабочих частот.

Затем измерительную камеру 2 заполняют исследуемой биожидкостью, увеличивают частоту выходного сигнала измерительного прибора до появления этого же резонансного пика и измеряют установившиеся значения центральной частоты F_s и ширины ΔF_s резонансного пика.

Скорость распространения C_з и коэффициент поглощения α_s ультразвука в биожидкости вычисляют по формулам
c_s=c1 + (1)
α_s= F_s-BF (2) где В постоянная, характеризующая потери ультразвуковой энергии в измерительной камере 2, не связанные с поглощением ультразвука в контролируемой биожидкости.

B F_o (3)
Величина В для каждого конкретного образца устройства определяется однократно по величинам F_o, ΔF_o и табличным величинам С_о, α_о для дистиллированной воды.

Контроль биожидкостей с помощью предлагаемого устройства был использован для дифференциальной диагностики вирусных и механических желтух по измерениям относительного изменения скорости ультразвука в сыворотке крови. Для сравнения контроль той же сыворотки был проведен и с помощью устройства по прототипу.

Задач дифференциальной диагностики желтух с помощью ультразвукового контроля сыворотки крови решается однозначно, если относительное изменение скорости его прохождения в образце по сравнению с контролем (дистиллированной водой) при нормальном атмосферном давлении и температуре 25±0,1^оС лежат в пределах (17,9-19,7)˙10^-3 (опухолевая желтуха) и в пределах от (21,2 до 22,4)˙10^-3 (вирусный гепатит).

Однако ряд больных имеет показатели относительного изменения скорости ультразвука в пределах от 19,7˙10^-3 до 21,2˙10^-3. В результате формируется пограничная область значений, в которой точность измерения скорости ультразвука должна быть выше, чем для остальных областей, так как если ошибка измерений для относительной скорости ультразвука превышает ±0,2˙10^-3, то будет поставлен неправильный диагноз. Предлагаемое устройство выполняет указанную задачу, в то время, как устройство-прототип имеет точность измерений относительной скорости ультразвука ±1,0˙10^-3 и не решает указанной задачи дифференциальной диагностики.

Еще большая точность измерений скорости ультразвука необходима при контроле желудочного сока с целью диагностики рака желудка. Область относительного изменения скорости, особенно критичная при установлении диагноза, находится около 5,0˙10^-3 и имеет ширину области неоднозначности ±0,1˙10^-3. С помощью устройства-прототипа, имеющего в этой области значений погрешность измерения относительной скорости ультразвука ±0,3˙10^-3, не удается идентифицировать диагноз. Предлагаемое устройство благодаря уменьшению погрешности измерения относительной скорости ультразвука на 4% позволяет установить правильный диагноз и выработать правильную схему лечения больных.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность контроля биологических жидкостей по коэффициенту поглощения ультразвука до 50% и по скорости распространения ультразвука до 4% за счет исключения искажений резонансной картины в измерительной камере (в виде "сателлитов" и несимметрии резонансных пиков) и уменьшения потерь ультразвуковой энергии, не связанных с поглощением ультразвука в исследуемой жидкости. Предлагаемое техническое решение расширяет функциональные возможности устройства путем увеличения рабочего диапазона частот более чем в 4 раза. Кроме того, предлагаемое устройство упрощено по сравнению с прототипом за счет исключения шприца, иглы, наконечника на корпусе для насадки иглы и сквозного канала, проходящего через измерительную камеру. Указанное упрощение стало возможным в связи с тем, что предлагаемое устройство используется для контроля биожидкостей, которым необходима предварительная подготовка к ультразвуковым измерениям, например, желудочный сок фильтруется, кровь центрифугируется для получения сыворотки.

Во время подготовительных операций биожидкость охлаждается до комнатной температуры, и после заполнения биожидкостью измерительной камеры требуется значительное время (до 3 мин) на подогрев ее до требуемой температуры. В сравнении с временем термостатирования время забора биожидкости из пробирки (шприцом или пипеточным дозатором) и заполнения измерительной камеры не имеет существенного значения для повышения производительности устройства. Таким образом, усложнение устройства путем применения шприца не оправдано.

Увеличение в предлагаемом устройстве на 6-10 дБ амплитуды сигнала, подаваемого с приемного преобразователя ультразвуковых колебаний на вход измерительного прибора, уменьшает требования к чувствительности измерительного прибора по входному сигналу, что существенно, так как уровень напряжения, подводимого к входному преобразователю ультразвуковых колебаний, ограничен сверху (не более 200 мВ) из-за опасности разрушения молекулярных структур в контролируемой биожидкости.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ, содержащее корпус, расположенную в нем измерительную камеру с установленными соосно на ее противоположных стенках преобразователями ультразвуковых колебаний, нагревательный элемент, датчик температуры, в корпусе выполнен канал для заливки контролируемой жидкости, соединенный с измерительной камерой, отличающееся тем, что измерительная камера выполнена в виде равных по высоте и соединенных по периметру больших оснований усеченных конусов, причем соотношение между объемом V камеры, длиной L камеры и диаметрами меньшего d₁ и большего d₂ оснований усеченных конусов определено выражениями
L/d₁≅1,2;
0,5 L≅(d₂-d₁)≅L;
V≅0,1 cm³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4