Автономный портативный микрофлюидный модульный гематологический экспресс-анализатор

Предложенная полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для проведения общего анализа крови (ОАК).
Из уровня техники известно устройство для определения объема частиц в жидких средах, раскрытое в документе SU 47009, опубл. 05.05.1975, содержащее центрифугу с электрическим приводом и капиллярные камеры, причем с целью обеспечения непрерывного автоматического процесса исследования и повышения точности определения объема частиц, в нем установлены загрузочный механизм, один или несколько, по числу капиллярных камер, программное и фотоэлектронные устройства, а капиллярные камеры выполнены с возвратным направлением, например, S-образной и j-образной формы.
Из документа US 20110312622, опубл. известен автономный портативный модульный гематологический экспресс-анализатор, в котором дозирование образца крови производится дозирующим устройством сразу для двух измерительных каналов: эритроцитарного и лейкоцитарного. Концентрация гемоглобина регистрируется в лейкоцитарном канале, после осуществления лизиса эритроцитов. Функцией дозирующего устройства является разделение объема образца на 2 части для каждого из каналов счета.
Все существующие гематологические анализаторы оснащены устройством дозирования образца крови. В настоящий момент наибольшее распространение имеют шприцевые дозаторы (Siemens, Advia 60 Hematology Analyzer, BC-2XXX Mindray и т.п.) и дозаторы на поворотном (срезном) клапане (Medonic, Swelab, Exigo, Sysmex и т.п.). И то и другое устройство подразумевают использование точной механики, шаговых двигателей, сложного алгоритма управления. Как результат - высокая стоимость изделия, сложность ремонта и технического обслуживания.
В качестве ближайшего аналога RU 2627927, опубл. 27.10.2015, в котором раскрыта система для анализа пробы, которая включает корпус и множество модулей внутри корпуса, причем отдельно взятый модуль из указанного множества содержит минимум одну станцию, выбранную из группы, состоящей из станции подготовки проб, аналитической станции и станции детектирования. Причем система включает в свой состав систему манипуляций с жидкостями, сконфигурированную на выполнение переноса пробы или реагентов в пределах отдельного модуля или из отдельного модуля в другой модуль в пределах корпуса системы. При этом корпус устройства является непрозрачным и препятствует неконтролируемому проникновению света в систему. Причем система для манипуляций с жидкостями выполнена приспособленной как к аликвоте пробы, так и к транспортировке аналитического блока к станции подготовки проб, аналитической станции или станции детектирования.
Недостатки известных анализаторов также заключаются в применении точной механики, используемой в подвижных элементах, управляемых электроникой, что неизбежно ведет к механическому износу и требует периодической замены.
Техническим результатом заявленного автономного портативного микрофлюидного модульного гематологического экспресс-анализатора (далее - экспресс-анализатор) является упрощение конструкции за счет исключения сложных механически подвижных элементов и использования вместо нее микрофлюидной пневмогидросистемы
Технический результат достигается при реализации автономного портативного микрофлюидного гематологического экспресс-анализатора, содержащего жесткий пластиковый корпус с ручкой для переноски, жидкокристаллический сенсорный дисплей, устройства вывода информации, интегральную упаковку реагентов и сбора отходов в виде картриджа, при этом внутри корпуса располагается микрофлюидная пневмогидросистема на основе пленочных технологий, включающая в себя устройство забора образца крови, устройство для дозирования образца и гидроплату, на которой расположены устройства регистрации клеток RBC и WBC каналов, вакуумный насос, а также электронный блок управления и измерения, в котором расположены центральная плата процессора с электронной платой управления клапанами, аккумуляторный отсек с возможностью размещения аккумуляторной батареи.
В частных случаях реализации полезной модели на гидроплате расположены эритроцитарные и лейкоцитарные измерительные камеры и каналы, фотометр, датчики для измерения положения жидкости, установленные в измерительных камерах, электронный модуль прибора, вакуумный насос, камеру предварительного разведения, эритроцитарные и лейкоцитарные устройства регистрации, контроллер.
В частных случаях реализации полезной модели, результаты исследования выгружаются по USB-порту.
В частных случаях реализации полезной модели, интегрированная упаковка реагентов выполнена с возможностью размещения емкостей с дилюентом, лизирующим реагентом, промывающим раствором, дистиллированной (деионизированной) водой.
В частных случаях реализации полезной модели, интегрированная упаковка реагентов содержит жесткую емкость для сбора отработанных жидкостей, коннектор для соединения с микрофлюидной пневмогидросистемой анализатора, чип для идентификации реагентов, и устройство крепления к корпусу анализатора.
В частных случаях реализации полезной модели, устройство забора образца крови содержит пробозаборный узел, приемную магистраль с системой трубчатых каналов, проложенных в корпусе устройства, каналы выполнены в виде магистрали подачи дилюента, магистралей отведения и вакуумной магистрали, на которой установлен датчик наличия жидкости.
Предлагаемая конструкция подразумевает использование дозирующего устройства без подвижных механизмов и точной механики. Заявляемый автономный портативный микрофлюидный гематологический экспресс-анализатор (далее - анализатор) создан на основе современных технологий, а именно за счет использования микрофлюидной пневмогидросистемы на основе пленочных технологий. В результате применения современных технологических решений создан компактный и легкий экспресс-анализатор. Поскольку анализатор разработан как портативный/переносной и может быть доставлен в место проведения анализа, то отпадает необходимость длительной транспортировки образца крови либо пациента, либо животного к месту исследования.
Анализатор портативного исполнения не нуждается в специализированных помещениях и особых климатических условиях, в отличие от стационарных приборов, работающих в лаборатории, в которой поддерживаются постоянные климатические условия.
Анализатор использует встроенный, выполненный с возможностью замены аккумулятор питания, что не требует постоянного подключения к питающей сети.
После выполнения исследования и при выключении прибора будет производиться самоконсервация. Экспресс-анализатор позволит обходиться количеством образца, помещенного в капилляр end-to-end (20 мкл) - вместо 200 мкл, как у большинства существующих моделей, оснащенных заборными устройствами для отбора образца из открытой пробирки (микропробирки для взятия капиллярной крови имеют емкость 200 мкл) либо из вакуумной пробирки (2,5 либо 5 мл).
В случае если анализатор используется с незначительной нагрузкой, удельный объем реагентов на каждое исследование возрастать не будет, поскольку анализатор не потребляет реагентов во время простоя. Это обусловлено особенностями конструкции дозирующих устройств и микрофлюидной пневмогидросистемы в целом.  При необходимости транспортировки прибора (или его простоя) не будет возникать необходимость в процедуре консервирования анализатора - анализатор при выключении произведет самоконсервацию и вакуумным насосом продует все магистрали пневмогидросистемы воздухом вакуумный насос.
Заявленный анализатор позволяет использовать его в мобильных бригадах, общий вес анализатора с блоком реагентов и аккумулятором не превысит 3,5 кг. Портативность, автономность, малый объем забираемого у пациента образца крови (20 мкл), малый расход реагентов, возможность использования “у кровати пациента”, применение микрофлюидной технологии. Отсутствие необходимости специальной подготовки персонала, использующего анализатор.
Автономный портативный микрофлюидный гематологический экспресс-анализатор (далее - анализатор) обеспечивает автоматический экспресс (быстрый) общий анализ крови человека или животного непосредственно «у кровати» пациента.
Показания к назначению:
Диспансерные обследования
Оценка состояния системы кроветворения
Диагностика заболеваний крови
Выявление воспалительных заболеваний
Мониторинг проводимого лечения
Измеряемые показатели:
Уровень концентрации гемоглобина
Уровень концентрации эритроцитов
Уровень концентрации лейкоцитов
Уровень концентрации тромбоцитов
Вычисляемые параметры: HCT (гематокрит), MCV (средний объем эритроцитов), MCH (среднее содержание гемоглобина в эритроците), MCHC (средняя концентрация гемоглобина в эритроците), тромбоцитарные индексы.
Заявленный анализатор представлен на чертежах, где фиг. 1 - внешний вид анализатора, фиг. 2 - компоновочная схема анализатора, фиг. 3 - устройства забора и дозирования образца.
1 - корпус
2 - жидкокристаллический сенсорный дисплей
3 -  ручка для переноски
4 - устройство забора образца крови
5 -  электронный блок управления и измерения
6 - микрофлюидная пневмогидросистема
7 - вакуумный насос
8 - устройства вывода информации
9 - интегральная упаковка реагентов и сбора отходов
10 - аккумуляторная батарея
11 - заборно-дозирующее устройство
12 - капилляр end-to-end с образцом
13 - пробозаборный узел
14 - приемная магистраль
15 - датчик наличия жидкости
16 - вакуумная магистраль
17, 18 - магистрали отведения
19 - магистраль подачи дилюента.
Анализатор (фиг. 1) изготавливается в жестком пластиковом корпусе 1, на котором расположена ручка для переноски 3, жидкокристаллический сенсорный дисплей 2 для управления работой анализатора, устройства вывода информации 8, в качестве которых может быть, например, USB-порты, Блютуз каналы для подключения к ним принтера.
Анализатор содержит жидкокристаллический сенсорный экран 2, устройства вывода информации 8, вакуумный насос 7, электронный блок управления и измерения 5, микрофлюидную пневмогидросистему 6, включающую заборно-дозирующее устройство 11 состоящее из устройства дозирования и устройства забора образца крови 4, микрофлюидную гидроплату, являющейся неотъемлемой частью микрофлюидной пневмогидросистемы 6, аккумуляторный отсек с аккумуляторной батареей 10, интегральную упаковку реагентов и сбора отходов 9 в виде картриджа, в котором установлен  пак с реагентами. Все перечисленные компоненты анализатора образуют закрытую систему для проведения анализа капиллярной крови.
Заборно-дозирующее устройство 11 включает устройство забора образца крови 4, которое содержит пробозаборный узел 13, для установки в нем капилляра end-to-end с образцом крови 12, и устройство дозирования, включающее приемную магистраль 1, с системой трубчатых каналов, проложенных в корпусе, каналы выполнены в виде магистрали подачи дилюента 19, магистралей отведения 17, 18 и вакуумной магистрали 16, на которой установлен датчик 15. Изначально каналы заполнены атмосферным воздухом.
Внутри корпуса располагается заборное дозирующее устройство 11, при этом часть устройства для забора образца 4, а именно пробозаборный узел 13 находится снаружи корпуса 1 (фиг.1). А также внутри корпуса расположены гидроплата, центральная плата процессора, электрическая плата управления клапанами, устройства регистрации клеток RBC и WBC каналов, аккумуляторный отсек с аккумуляторной батареей 10, вакуумный насос 7.
Устройство дозирования использует малый объем образца капиллярной крови человека или животного. Анализатор производит общий анализ крови по методу Кюльтера с использованием оригинальной микрофлюидной пневмогидросистемы. Может быть выполнен в модификациях 3 или 5 diff в зависимости от количества измеряемых показателей.
Особенностью анализатора является отсутствие подвижных элементов, что позволяет отказаться от прецизионной механики и точной электроники.
Вместо подвижных элементов в заявленном анализаторе используется микрофлидная пневмогидросистема, включающая заборно-дозирующее устройство 11 и гидроплату (на чертежах не показана), на которой расположены эритроцитарные и лейкоцитарные измерительные камеры и каналы, фотометр, датчики наличия жидкости, установленные в измерительных камерах, вакуумный насос, камеру предварительного разведения, эритроцитарные и лейкоцитарные устройства регистрации, электронный модуль прибора по показаниям датчиков, контроллер.
В качестве емкости для образца крови используется капилляр end-to-end, емкостью 20 мкл. В основе принципа работы устройства в целом заложен импедансный метод регистрации форменных элементов крови (метод Культера), разведенных в дилюенте (суспензия клеток). Проходя через апертуру, к обеим сторонам которой приложен электрический потенциал, клетки крови: эритроциты (RBC), тромбоциты (PLT), лейкоциты (WBC) изменяют электрическую проводимость канала. В результате при прохождении клетки через апертуру эритроцитарными и лейкоцитарными устройствами регистрации регистрируется импульс снижения проводимости канала в целом. Амплитуда возникающих импульсов при прохождении каждой прошедшей через апертуру клетки пропорциональна объему клетки. В эритроцитарном канале производится подсчет импульсов, создаваемых тромбоцитами (PLT) и эритроцитами (RBC). Тромбоциты, как наименьшие по объему клетки создают импульсы малой амплитуды, а эритроциты, как более крупные клетки, создают импульсы большей амплитуды. С помощью процессора электронного блока измерения математический дискриминатор дифференцирует импульсы по амплитуде и считает количество и амплитуды для каждой отдельной популяции клеток (PLT и RBC). Количество сосчитанных клеток делится на объем прошедшей через апертуру суспензии и пересчитывается в концентрацию клеток в литре. Аналогичным образом производится подсчет лейкоцитов, только перед началом счета в суспензию клеток в лейкоцитарном канале добавляется лизирующий реагент, разрушающий мембраны эритроцитов и не оказывающий разрушающего воздействия на лейкоциты. Для измерения концентрации гемоглобина используется фотометрический метод. Посредством лизирующего реагента эритроциты крови разрушаются, гемоглобин, попадая в раствор, изменяет его оптическую плотность и этот факт регистрируется встроенным в гидроплату фотометром с длиной оптического пути 10 мм и пересчитывается в концентрацию гемоглобина в г/л.
Исследуемый образец - цельная капиллярная кровь, отбирается в капилляр end-to-end емкостью 20 мкл, после чего капилляр помещается в заборно-дозирующее устройство 11. Использование капилляра значительно снижает риск попадания в анализатор артефактов (волокон ваты, волокон одежды, эпителия, грязи, волос и т.п.). Кроме того, взять такое малое количество образца не составляет труда и не требует специфической фиксации исследуемого.
Исследуемый биологический образец (цельная капиллярная кровь) забирается в капилляр end-to-end. Для проведения исследования капилляр помещается в пробозаборный узел анализатора 13. Далее исследуемый образец под действием разряжения, создаваемого вакуумным насосом через вакуумную магистраль 16, попадает в приемную магистраль 14. Датчики наличия жидкости, расположенные в нескольких местах узла, позволяют определять положение исследуемого образца в приемной магистрали 14 и управлять длительностью работы вакуумного насоса 7 и моментом начала и окончания подачи дилюента в приемную магистраль 14, путем открытия или закрытия клапанов, посредством электронного блока управления и измерения 5.
Поскольку объем капилляра (объем образца) и геометрия каналов приемной магистрали 14 и магистрали подачи дилюента 19 известны абсолютно точно, то также точно становится известным общий объем жидкости в дозирующем устройстве.
Дилюент в процессе движения в приемной магистрали 14 и магистралях отведения 17, 18 частично смешивается с исследуемым образцом, а полное смешивание образца и дилюента происходит за пределами приемной магистрали 14 - в камере предварительного разведения, в которую смесь попадает по магистралям отведения 17, 18. Камера разведения находится за пределами заборно-дозирующего устройства 11. В магистрали отведения 17, 18 смесь попадает под действием разряжения через клапана, расположенные на них. Управление моментом открытия/закрытия клапанов, началом/окончанием работы вакуумного насоса управляет электронный модуль прибора по показаниям датчиков, расположенных в соответствующих частях магистралей гидроплаты.
Процесс забора и дозирования от момента введения капилляра с образцом и до момента поступления смеси с дилюентом в камеру предварительного разведения, которая находится на гидроплате, занимает 1-2 секунды. По завершении циклограммы работы анализатора все магистрали заборно-дозирующего устройства очищаются промывающим раствором и высушиваются воздухом. После чего анализатор готов к новому исследованию или консервации.
Дозирование образца крови производится дозирующим устройством (фиг. 3) сразу для двух измерительных каналов: эритроцитарного и лейкоцитарного. Концентрация гемоглобина регистрируется в лейкоцитарном канале, после осуществления лизиса эритроцитов. Функцией дозирующего устройства является разделение объема образца на 2 части для каждого из каналов счета. В устройстве дозирования реагентов электронный блок управления и измерения рассчитывает необходимое для приготовления суспензии (например, 1:400) количество реагентов и по магистралям отведения подается в дозирующее устройство для приготовления суспензий клеток крови для каждого из каналов счета. Окончательное приготовление материала для проведения регистрации клеток и концентрации гемоглобина осуществляется в устройстве перемешивания образца. Перемешивание осуществляется барботированием воздухом. В камеру для лейкоцитарного канала добавляется лизирующий реагент для осуществления лизиса эритроцитов. Лизис эритроцитов необходим для возможности произвести подсчет концентрации лейкоцитов и гемоглобина. Затем обе суспензии направляются в устройства регистрации клеток RBC и WBC каналов, в качестве которых используются, в частности, импедансные датчики, оптические, работающее по методу Культера - одна суспензия в эритроцитарное устройство RBC регистрации, вторая в лейкоцитарное WBC. Концентрация гемоглобина определяется изменением оптической плотности в лейкоцитарном канале. Перетекание всех жидкостей обеспечивается созданием разряжения в необходимых магистралях. Разряжение создается вакуумным насосом и поддерживается на стабильном уровне вакуумным ресивером. Управление датчиками жидкостей, клапанами пневмогидросистемы и работой вакуумного насоса управляет контроллер, который находится на гидроплате. Датчики наличия жидкости, используемые в пневмогидросистеме, могут быть, в частности, либо оптические, либо гальванические, либо импедансные или иные, выполненные с возможностью определения наличия жидкости. Импульсы, возникающие на апертурах при прохождении клеток крови, усиливаются усилителем и передаются в АЦП (аналого-цифровой преобразователь) электронного блока управления и измерений. После обработки данных процессором электронного блока управления и измерений результат исследования передается на дисплей, при необходимости на термопринтер и/или выгружаются по USB-порту. По окончании счета все магистрали промываются дилюентом, после чего анализатор готов к следующему измерению.
При отсутствии необходимости производить следующее измерение анализатор выполнит промывку магистралей и осуществит продувку магистралей атмосферным воздухом с помощью вакуумного насоса. По завершению продувки питание будет отключено. В таком состоянии анализатор может находиться длительное время.
Интегральная упаковка реагентов и сбора отходов 9 включает в себя емкости переменного объема с дилюентом, лизирующим реагентом, промывающим раствором, дистиллированной (деионизированной) водой и жесткую емкость для сбора отработанных жидкостей, коннектор для соединения с микрофлюидной пневмогидросистемой анализатора, чип для идентификации реагентов, расположенный на месте установки пака с реагентами, устройство крепления к корпусу анализатора.
Корпус интегральной упаковки реагентов и сбора отходов 9 выполнен из жесткого пластика. Емкости переменного объема выполнены из многослойной пленки на основе полиэтилена.
Анализатор производит подсчет концентрации и параметры следующих элементов: RBC - концентрация эритроцитов, MCV - средний объем эритроцитов, (fl) PLT - концентрация тромбоцитов, MPV - средний объем тромбоцитов, (fl) 6 WBC - концентрация лейкоцитов, HGb - концентрация гемоглобина (г/л). Кроме того, производится расчет эритроцитарных индексов: MCH - среднее содержание гемоглобина в эритроците (пг), MCHC - средняя концентрация гемоглобина в эритроците (г/л), HCT - гематогрит (%). Лейкоциты разделяются на 3 популяции в абсолютных значениях и процентном соотношении: Lym - концентрация лимфоцитов, Mid - концентрация средних клеток (моноциты, эозинофилы, базофилы), Gra - концентрация гранулоцитов (нейтрофилы).
В силу того, что свойства клеток крови у различных видов по своим свойствам заметно отличаются, анализатор, предназначенный для исследования крови животных, приспособлен к возможности выбора вида животного, т.е. имеет несколько профилей подсчета - в соответствии с разнообразием актуальных задач. Предусмотрена возможность выбора и переключения профиля животного и создание новых (программирование алгоритма). Вывод информации производится на цветной дисплей с гистограммами распределения клеток по объему, черно-белый термопринтер и, при необходимости, может быть транслирован в сеть по беспроводной связи либо по USB-порту.
Заявленный анализатор по сравнению с существующими аналогами имеет следующие преимущества:
Преимущества перед аналогами
Анализ «у пациента» - высокая скорость принятия решения врачом.
Малый объем образца (не более 20 мкл) - идеально для неонатологии, отделений реанимации, отдаленных местностей, скорой помощи.
Портативный и автономный - анализ непосредственно у кровати пациента. Экспресс анализ - не более 2 минут.
Сменные картриджи (паки) с реагентами оригинальной рецептуры - до 100 измерений на 1 паке.
Автономность - не требует подключения к внешнему источнику реагентов, не требует внешнего слива отработанных реагентов, не требует постоянного внешнего электропитания.
Легкая и быстрая консервация/запуск.
«Закрытость» системы - использует свои паки.
Простота обслуживания.
Не требует высокой квалификации персонала.
Несколько вариантов исполнения на одной платформе.
Высокая надежность в силу отсутствия сложных подвижных элементов.
Простое техническое обслуживание.