устройство для определения содержания гемоглобина в пробах крови

Формула изобретения

1. Устройство для определения содержания гемоглобина в пробах крови, содержащее источник света, кювету для контролируемого раствора, блок фотоэлектрического преобразования, к выходу которого подключен блок обработки электрических сигналов, отличающееся тем, что источник излучения выполнен со спектром излучения, содержащим по крайней мере две различные длины волны ₁ и ₂, удовлетворяющие условию 540 нм < ₁ < ₂ < 590 нм , а блок фотоэлектрического преобразования выполнен с возможностью преобразования интенсивности оптического излучения на каждой из указанной длин волн в электрический сигнал.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки электрических сигналов содержит два логарифмических усилителя, входы которых являются входами блока, а выходы подключены к входам схемы вычитания, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник света выполнен импульсным, а блок обработки электрических сигналов содержит два интегрирующих усилителя, входы которых являются входами блока, а выходы соединены с входами схемы вычитания, выход которой через компаратор подключен к преобразователю длительности импульса в код.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник света содержит импульсную лампу с блоком питания, преобразователь напряжения, к одному из выходов которого подключен блок питания импульсной лампы, а к другому подключен накопитель электрической энергии, схему управления, подключенную выходом к управляющему входу преобразователя напряжения, пусковой ключ, соединенный с выходом блока питания импульсной лампы.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что одна из стенок кюветы для контролируемого раствора выполнена отражающей оптическое излучение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской аналитической технике и может быть использовано для определения содержания гемоглобина в пробах крови.

Известны устройства фотоэлектроколориметры, используемые для определения содержания гемоглобина в пробах крови путем измерений на одной и той же длине волны значений оптической плотности контролируемого раствора и холостой пробы (трансформирующего реактива).

Недостатком указанных устройств является то, что точность измерения не удовлетворяет современным требованиям.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения содержания гемоглобина в пробах крови, содержащее источник света, кювету для контролируемого раствора, блок фотоэлектрического преобразования и соединенный с ним блок обработки электрических сигналов. Контролируемый раствор получают, добавляя к контролируемой пробе крови трансформирующий реактив, в результате чего происходит освобождение гемоглобина из эритроцитов и трансформациях различных форм гемоглобина к единой форме, после чего производят отдельные измерения значений оптической плотности (на одной и той же длины волны) контролируемого раствора и трансформирующего реактива (холостой пробы). По разности измеренных значений определяют содержание гемоглобина в крови. Измерение на холостой пробе проводят для того, чтобы исключить влияние оптических свойств трансформирующего реактива на результат определения содержания гемоглобина.

Недостатком является необходимость проведения двух измерений, что увеличивает трудоемкость контроля. Кроме того, на результат измерений влияют рассеивающие свойства контролируемого раствора, обусловленные наличием в нем липопротеидов, продуктов лизиса эритроцитов и т.п. что увеличивает погрешность измерений. Экспериментально установлено, что погрешность измерений из-за рассеяния может достигать 10%

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности и трудоемкости измерений. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем источник света, кювету для контролируемого раствора, блок фотоэлектрического преобразования, соединенный с блоком обработки электрических сигналов, использован источник света, в спектре излучения которого содержатся по крайней мере две различные длины волны ₁,₂, а блок фотоэлектрического преобразования выполнен с возможностью преобразования интенсивности оптического излучения на каждой из указанных длины волн в электрический сигнал. Целесообразно, чтобы значения ₁,₂, удовлетворяли условию

540 нм < ₁ < ₂ < 590 нм

Блок обработки электрических сигналов может содержать два логарифмических усилителя, подключенных ко входам схемы вычитания, выход которой соединен со входом аналого-цифрового преобразователя.

Целесообразно выполнение источника света импульсным, при этом блок обработки электрических сигналов может содержать два интегрирующих усилителя, выходы которых соединены со входами схемы вычитания, выход которой через компаратор подключен к преобразователю длительности импульса в код.

Кроме того, импульсный источник света может содержать импульсную лампу с блоком питания, преобразователь напряжения, соединенный одним из выходов с блоком питания импульсной лампы, а другим выходом с накопителем электрической энергии, схему управления, подключенную к управляющему входу преобразователя напряжения, пусковой ключ, соединенный с одним из входом схемы управления, другой вход которой соединен с выходом блока питания импульсной лампы.

Целесообразно также, чтобы одна из стенок кюветы для контролируемого раствора была выполнена отражающей оптическое излучение.

Выполнение устройства по двухволновой схеме позволяет отказаться от проведения измерений на холостой пробе и определять содержание гемоглобина в пробах крови с высокой точностью, достигаемой за счет исключения влияния рассеивающих свойств контролируемого раствора.

Определение содержания гемоглобина в устройстве основано на нижеследующих соотношениях, при этом использованы обозначения:

₁,₂ используемые длины волн;

g₁, g₂ коэффициенты поглощения света гемоглобином на длинах волн соответственно ₁,₂;

C_g содержание гемоглобина в контролируемом растворе;

d длина оптического пути (определяется толщиной кюветы);

h₁, h₂ коэффициенты рассеяния света на длинах волн соответственно ₁,₂;

исходная (падающая на кювету с контролируемым раствором) интенсивность света на длине волны ₁₍₂₎;

интенсивность света после прохождения через слой контролируемого раствора.

С учетом поглощения и рассеяния света в контролируемом растворе можно записать



(1)

Переходя к напряжениям, получаемым после фотоэлектрического преобразования, имеем

(2)

где коэффициент фотоэлектрического преобразования на длине волны ₁₍₂₎.

Если параметры блока фотоэлектрического преобразования выбраны таким образом, что выполняется равенство

(3)

то выполняется соотношение

(4)

Второй член в этом соотношении (в правой части) не равен нулю, т.к. значения h₁ и h₂ не равны друг другу (значение h₁₍₂₎ является функцией ), однако, выбрав значения l₁ и ₂ близкими друг к другу (практически целесообразно выбрать эти значения, лежащими в пределах 540 590 нм), можно придать ему пренебрежимо малое значение. Если влиянием этого члена пренебречь, то выражение для определения содержания гемоглобина в контролируемом растворе будет иметь вид

(5)

Таким образом, значение содержания гемоглобина в контролируемом растворе однозначно определяется значением указанного логарифма, т. к. g₁, g₂, d постоянные величины.

Выполнение источника света импульсным позволяет уменьшить энергопотребление устройства, а соответствующее импульсному источнику света выполнение блока обработки электрических сигналов позволяет реализовать обработку импульсных сигналов с получением выходного сигнала, однозначно связанного со значением содержания гемоглобина в соответствии с соотношением (5).

Использование в схеме импульсного источника света накопителя электрической энергии, заряжаемого во время работы преобразователя напряжения (последний автоматически отключается после формирования светового импульса) и питающего в дальнейшем блок обработки сигналов, позволяет уменьшить потери энергии в преобразователе напряжения и уменьшить тем самым общее энергопотребление устройства.

При использовании обычной кюветы с двумя прозрачными стенками излучение от источника света проходит через слой контролируемого раствора и попадает на фотоэлектрический преобразователь, а при использовании кюветы с одной отражающей стенкой излучение дважды проходит через слой раствора (в этом случае источник света и фотоэлектрический преобразователь должны быть установлены по одну сторону кюветы), что увеличивает чувствительность измерений за счет увеличения длины оптического пути.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 одно из возможных выполнений блока обработки электрических сигналов; на фиг. 3 - пример выполнения устройства, реализующего импульсный режим работы; на фиг. 4 временные диаграммы работы блока обработки электрических сигналов, реализующего импульсный режим.

Устройство содержит источник 1 света, кювету 2 для контролируемого раствора, блок 3 фотоэлектрического преобразования, блок 4 обработки электрических сигналов. Блок 4 обработки может содержать логарифмические усилители 5, 6, схему 7 вычитания, аналого-цифровой преобразователь 8. Источник 1 света в импульсном выполнении содержит импульсную лампу 1.1, блок 1.2 питания лампы, преобразователь 1.3 напряжения, схему 1.4 управления, пусковой ключ 1.5, накопитель электрической энергии 1.6 (например конденсатор). Блок 3 фотоэлектрического преобразования содержит оптические фильтры 3.1, 3.2, фотоэлектрические преобразователи 3.3, 3.4 (например фотодиоды). Блок 4 обработки в импульсном выполнении содержит интегрирующие усилители 4.1, 4.2, схему 4.3 вычитания, выполненную, например, на резисторе, компаратор 4.4, преобразователь 4.5 длительности импульса в код, включающий генератор импульсов 4.5.1, счетчик 4.5.2, дешифратор 4.5.3 и индикатор 4.5.4.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 света вырабатывает оптическое излучение, содержащее длины волн ₁,₂, которое проходит через кювету 2 с контролируемым раствором (проба крови с добавлением трансформирующего раствора), испытывая ослабление из-за поглощения и рассеяния в соответствии с соотношениями (1). Блок 3 фотоэлектрического преобразования осуществляет преобразование интенсивности прошедшего через кювету 2 излучения каждой длины волны в электрический сигнал, а блок 4 обработки вырабатывает сигнал, однозначно связанный с содержанием гемоглобина. Если излучение источника 1 света имеет непрерывный характер, то блок 4 обработки может быть выполнен по схеме на фиг. 2, однако в этом случае энергопотребление устройства будет значительным. Практически более целесообразно использовать импульсный источник 1 света и соответствующее выполнение блока 4 обработки, показанное на фиг. 3.

В импульсном режиме работа устройства происходит следующим образом. При срабатывании пускового ключа 1.5 схема 1.4 управления (бистабильная схема, например, R-S-триггер) разрешает работу преобразователя 1.3 напряжения, который преобразует напряжение источника питания устройства (батарея, аккумулятор и т. д. на фиг. 3 источник питания не показан) в напряжение, необходимое для работы импульсной лампы 1.1 (например ксеноновой лампы-вспышки). Блок 1.2 питания импульсной лампы служит для накопления электрической энергии за время работы преобразователя напряжения и последующего быстрого вложения этой энергии в излучающий канал импульсной лампы. Во время работы преобразователя 1.3 заряжается также накопитель 1.6 электроэнергии. После полного заряда блока 1.2 питания автоматически происходит его разряд на лампу 1.1, при этом импульс тока, протекающего в выходной цепи блока 1.2 питания, формирует на датчике тока (например резисторе, включенном в выходную цепь блока 1.2, резистор на фиг. 3 не показан) импульс, поступающий на второй вход схемы 1.4 управления, которая после этого переходит в другое состояние и запрещает работу преобразователя 1.3. Накопитель 1.6, заряженный до напряжения, соответствующего напряжению питания элементов блока 4 обработки, осуществляет питание этих элементов после выключения преобразователя 1.3 (цепи питания элементов блока 4 на фиг. 3 не показаны). Импульсное оптическое излучение длительностью t_o после прохождения через контролируемый раствор поступает через оптические фильтры 3.1, 3.2, выделяющие излучение длин волн ₁,₂, на фотоэлектрические преобразователи 3.3, 3.4, напряжение с которых поступает на интегрирующие усилители 4.1, 4.2, емкости которых в течение времени t_o заряжаются, а после окончания светового импульса интеграторы 4.1, 4.2 разряжаются (фиг. 4а), их выходные сигналы вычитаются в схеме 4.3 вычитания, разностный сигнал (фиг. 4б) поступает на компаратор 4.4, выходной сигнал которого определяет интервал времени, в течение которого разностный сигнал положителен (фиг. 4в).

Покажем, что длительность указанного интервала однозначно связана с содержанием гемоглобина в контролируемом растворе. Сигналы с выхода блока 3 фотоэлектрического преобразования заряжают в течение времени t_o емкости интеграторов 4.1, 4.2 до некоторых конечных напряжений , пропорциональных энергии светового излучения на длинах волн ₁,₂. По окончании светового импульса емкости интеграторов начинают разряжаться, при этом значения емкостей и резисторов интеграторов выбраны такими, чтобы разряд емкостей происходит за времена, многократно превышающие длительность t_o. Затухание сигналов на выходах интеграторов описывается соотношениями





где постоянные времени интеграторов, при этом R и С выбраны такими, чтобы выполнялось соотношение

.

C учетом выполнения соотношения (5) будем иметь



так как g₁, g₂ и d постоянные величины.

Множитель d(g₂-g₁) определяет чувствительность измерения, т.е. коэффициент пропорциональности между значением указанного логарифма и значением C_g, поэтому целесообразно длины волн выбрать в диапазоне 540 590 нм, где характеристика поглощения света гемоглобином имеем крутой спад, при этом даже при близко расположенных значениях длин волн ₁,₂ может быть получена удовлетворительная чувствительность и одновременно (за счет близости значений длин волн) малая погрешность из-за рассеяния.

Таким образом, концентрация гемоглобина пропорциональна логарифму отношения напряжений на емкостях интеграторов по окончании светового импульса. Для определения значения указанного логарифма сигналы с выходов интеграторов сначала подаются на схему 4.3 вычитания, а с ее выхода разностный сигнал поступает на компаратор 4.4, с помощью которого формируется импульс, длительность которого определяет значение указанного логарифма. Действительно, в момент времени t" выполняется соотношение



После преобразования получим



Проведя логарифмирование последнего выражения, получим (с учетом того, что t_o<t", а также того, что



Поскольку имеет фиксированное значение, то



и окончательно

C_g=const"t",

т. е. концентрация гемоглобина в контролируемом растворе однозначно определяется длительностью временного интервала t" длительностью импульса с выхода компаратора 4.4, которая определяется с помощью преобразователя 4.5 длительности импульса в код. Импульс с выхода компаратора 4.4 разрешает работу генератора 4.5.1, генерирующего импульсы с постоянной частотой, число этих импульсов за время t" подсчитывается счетчиком 4.5.2, с выхода которого код через дешифратор 4.5.3 поступает на индикатор 4.5.4, на котором индицируется число, однозначно определяющее концентрацию гемоглобина в контролируемом растворе, на этом цикл измерений заключается.

Экспериментальные исследования опытного образца устройства на растворах с известными значениями концентрации гемоглобина показали, что погрешность измерений содержания гемоглобина предложенным устройством не превышает 3%