СПОСОБ РАСЧЕТА ВЯЗКОСТИ
VISCOSITY CALCULATION METHOD

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение касается расчета измерительной системой вязкости жидкости, подаваемой с измерительной системы на диагностический анализатор. В частности, настоящее изобретение касается расчета вязкости жидкости посредством выполнения определенной последовательности измерений давления с целью повышения точности определения объема текучей среды в процессе аспирации или дозирования.
В области диагностики наблюдается тенденция использования все меньших объемов жидкости для диагностического контроля или анализа, такого как анализ, выполняемый при помощи диагностического анализатора. Таким образом, надежное и точное определение малых объемов текучей среды, например, измеряемых в микролитрах, является важным фактором результативности проводимого анализа. Функционирование известных систем измерения параметров жидкости, таких как системы, используемые в диагностических анализаторах, зависит от характеристик жидкости, таких как вязкость, частично вследствие того, что жидкость, имеющая более высокую вязкость, вероятно, имеет большее сцепление с поверхностью аспирационного зонда или измерительным наконечником указанного зонда, и, кроме того, повышенная вязкость приводит к аспирации меньшего количества жидкости, чем требовалось. Характеристика или профиль давления газа, например, воздуха, находящегося в процессе измерения между механизмом насоса и жидкостью, является функцией вязкости жидкости. Типовой профиль давления представлен на фиг.1.
Известные способы расчета вязкости, используемые в измерительных системах известных диагностических анализаторов, в целом, обеспечивают функционирование только при объеме аспирации более 35 мкл. Такие системы измерения могут использоваться в известных диагностических анализаторах, таких как анализаторы Vitros 5600 и Vitros 3600, поставляемые компанией Ortho-Clinical Diagnostics, Inc., а также других известных системах анализаторов, поскольку указанные анализаторы обычно обеспечивают измерение объемов жидкости, превышающих 35 мкл.
Таким образом, существует потребность в удовлетворительном расчете вязкости жидкости при выполнении аспирации или дозирования жидкости и наличии в процессе измерения малых объемов жидкости, например, менее 35 мкл и значительно меньше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение касается способа, обеспечивающего решение указанных выше проблем, связанных с возможностью расчета вязкости при сравнительно малых объемах жидкости, в частности, в процессе измерения характеристик жидкости в диагностическом анализаторе.
эт.
ref
прекр.
stop
прекр.'
stop'
эт.,
прекр.
прекр.'
Одна из отличительных особенностей настоящего изобретения касается способа расчета вязкости жидкости в зонде, предназначенном для аспирации или дозирования. Способ по настоящему изобретению содержит этапы, на которых: измеряют эталонное давление (P, P), представляющее собой давление в измерительном наконечнике при отсутствии дозирования или аспирации; производят дозирование или аспирацию жидкости при наличии объема воздуха между жидкостью и механизмом насоса зонда; прекращают аспирацию или дозирование; измеряют давление (P, P) в наконечнике в момент времени (t), который представляет собой момент прекращения аспирации или дозирования; измеряют давление (P, P) в наконечнике в момент времени (t'), имеющий место после момента времени t; и рассчитывают вязкость как функцию PP и P.
<mover accent="true"><mi>р</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
прекр.
эт.
прекр.
прекр.'
прекр.
В одном примере осуществления настоящего изобретения указанный выше способ дополнительно содержит этапы, на которых: вычисляют разность (
) значений давления, которая представляет собой разность между P и P; вычисляют скорость (
) изменения давления при значении давления Pпо формуле
=(P-P)/(t'-t); рассчитывают вязкость как функцию
и
.
В другом примере осуществления изобретения указанный выше способ дополнительно содержит этапы, на которых: вычисляют скорость повышения давления ; и рассчитывают вязкость как функцию от R.
эт.
прекр.
прекр.'
эт.,
прекр.
прекр.'
Вторая отличительная особенность настоящего изобретения касается способа аспирации требуемого объема жидкости. Указанный способ содержит этапы, на которых: обеспечивают аспирационный зонд, содержащий наконечник зонда и насос, причем наконечник зонда и насос сообщаются по текучей среде; измеряют эталонное давление (P), представляющее собой давление в измерительном наконечнике при отсутствии дозирования или аспирации; погружают наконечник в жидкость, в результате чего объем газа находится между поверхностью жидкости и насосом, причем эталонное давление измеряют до или после погружения наконечника в жидкость; приводят в действие насос в течение интервала времени или на расстояние перемещения, соответствующее требуемому объему аспирации жидкости; прекращают аспирацию или дозирование; измеряют давление (P) в наконечнике в момент времени (t), который представляет собой момент прекращения аспирации или дозирования; измеряют давление (P) в наконечнике в момент времени (t'), имеющий место после момента времени t; рассчитывают вязкость как функцию PP и P; корректируют значение вязкости посредством либо уведомления оператора при выходе значения вязкости за пределы предварительно определенного диапазона, или посредством регулирования функционирования насоса на основе рассчитанного значения вязкости. В одном примере осуществления изобретения насос представляет собой поршневой насос, причем поршень указанного поршневого насоса перемещается на предварительно определенное расстояние, соответствующее требуемому объему аспирируемой жидкости.
Еще одна отличительная особенность настоящего изобретения касается способа анализа образца материала. Указанный способ содержит этап, на котором: обеспечивают источник образца материала;
эт.
прекр.
прекр.'
эт.,
прекр.
прекр.'
обеспечивают аспирационный зонд, содержащий наконечник зонда и насос, причем наконечник зонда и насос сообщаются по текучей среде; измеряют эталонное давление (P), представляющее собой давление в измерительном наконечнике при отсутствии дозирования или аспирации; погружают наконечник в жидкость, в результате чего объем газа находится между поверхностью жидкости и насосом, причем эталонное давление измеряют до или после погружения наконечника в жидкость; приводят в действие насос в течение интервала времени или на расстояние перемещения, соответствующее требуемому объему аспирации жидкости; прекращают аспирацию или дозирование; измеряют давление (P) в наконечнике в момент времени (t), который представляет собой момент прекращения аспирации или дозирования; измеряют давление (P) в наконечнике в момент времени (t'), имеющий место после момента времени t; рассчитывают вязкость как функцию PP и P; корректируют значение вязкости посредством либо уведомления оператора при выходе значения вязкости за пределы предварительно определенного диапазона, или посредством регулирования функционирования насоса на основе рассчитанного значения вязкости.
Дополнительные цели, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения очевидны для специалистов в данной области техники при ознакомлении с представленным далее подробным описанием предпочтительных примеров осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлен профиль давления образца крови объемом 2 мкл, отбор которого проведен микронаконечником зонда при давлении, указанном в виде значений, полученных в результате аналого-цифрового преобразования (АЦП).
На фиг.2 показан график изменения скорости (R) повышения давления в зависимости от вязкости для жидкостей, имеющих различную вязкость.
На фиг.3 представлена кривая скорости повышения давления в зависимости от вязкости, полученная с использованием модели аппроксимации кривой logit/log4 для жидкостей, имеющих различную вязкость.
На фиг.4 указаны две кривые скорости повышения давления в зависимости от вязкости, полученные с использованием модели аппроксимации кривой logit/log4 (сплошная линия) и другого метода аппроксимации (пунктирная линия).
На фиг.5 представлены профили давления, полученные в процессе аспирации образцов жидкостей объемом 7,5 мкл, имеющих различную вязкость, в зависимости от времени.
На фиг.6a-d указана линейность и погрешность линейной модели калибровки (сверху) и модели калибровки с использованием функции logit/log4.
На фиг.7 представлены профили давления, полученные в процессе аспирации образцов жидкостей объемом 11 мкл, имеющих различную вязкость, в зависимости от времени.
На фиг.8 указана скорость изменения давления в зависимости от вязкости при аспирации образцов жидкостей объемом 11 мкл, имеющих различную вязкость.
На фиг.9-15 представлены графики, указывающие линейность расчетного значения вязкости относительно истинного или фактического значения вязкости при использовании модели logit/log4 для исследования жидкостей, имеющих различную вязкость.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хотя число применений, в которых используется расчет вязкости в соответствии с настоящим изобретением, не ограничивается, особенно полезным применением является использование настоящего изобретения в области анализа для целей диагностики. Диапазон анализаторов и методов, для реализации которых может использоваться настоящее изобретение, является значительным и более подробно рассмотрен далее.
В настоящем документе выражения «небольшой объем» или «сравнительно небольшой объем» жидкости, в общем, означают объем ≤35 мкл, ≤25 мкл, ≤20 мкл, ≤10 мкл, ≤5 мкл и даже менее 2 мкл и, в частности, объемы ≤20 мкл.
В представленном далее описании предпочтительных примеров осуществления изобретения указан поршневой насос, однако для осуществления настоящего изобретения можно использовать другие механизмы насоса, такие как диафрагменные насосы.
В одном аспекте настоящего изобретения в течение цикла измерения проводятся определенные измерения давления, используемые для расчета вязкости жидкости, причем объем аспирации жидкости представляет собой небольшой объем. Без привязки к каким-либо теоретическим предпосылкам настоящее изобретение основывается на открытии изобретателем того факта, что расчет вязкости можно выполнить исключительно на основе данных измерения давления. Исходя из представленного ниже расчета (расчетов) изобретатель показал, что вязкость можно определить исключительно на основе измерения давления в определенные моменты времени цикла проведения измерений.
Это обеспечивается посредством измерения дифференциального давления (определено далее) и расчета расхода (Q) текучей среды на основе измерения скорости изменения давления при прекращении функционирования насоса (определено далее). Далее для определения вязкости жидкости используется дифференциальное давление (DP или) и расход (Q) текучей среды.
В процессе аспирации жидкости поршень поршневого насоса отводится, и давление в наконечнике снижается вследствие вязкости и инерционности аспирируемой жидкости (фиг.1). В момент остановки поршня в наконечнике создается пониженное давление. Разность давлений или дифференциальное давление DP между давлением окружающей среды и давлением в наконечнике продолжает вызывать протекание жидкости в наконечник после остановки насоса до достижения равенства давлений.
После прекращения функционирования насоса (остановки насоса) значение давления связано со значением вязкости закачиваемой жидкости. Чем выше вязкость, тем ниже давление при постоянном значении всех других параметров. Расход (Q) жидкости в момент остановки насоса является пропорциональным разности (DP) давления внутри наконечника и давления окружающей среды (то есть, снаружи наконечника) и обратно пропорциональным вязкости жидкости. Следует отметить, что данное соотношение справедливо всегда, а не только при остановке насоса, причем инерция жидкости является пренебрежимо малой вследствие малой массы используемого образца жидкости.
В момент остановки насоса расход (Q) жидкости равен скорости изменения объема воздуха в наконечнике. Скорость изменения объема воздуха можно определить посредством измерения изменения давления воздуха в наконечнике. В одном примере осуществления изобретения давление воздуха определяют в результате аналого-цифрового преобразования (АЦП) значения, полученного от датчика давления измерительной системы. Полученное в результате аналого-цифрового преобразования значение измеренного давления пропорционально разности между изменением объема в результате перемещения поршня и расходом жидкости. При остановке насоса скорость изменения измеренного значения давления пропорциональна расходу жидкости.
прекр.
эт.
прекр.
эт.
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Q</mi><mo>,</mo><mi>D</mi><mi>P</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Дифференциальное давление (DP) в момент остановки насоса внутри и снаружи (в окружающей среде) наконечника можно рассчитать по формуле DP=P-P, где P- давление в момент остановки насоса; P - давление окружающей среды до начала аспирации. Расход (Q) жидкости после остановки насоса пропорционален разности давлений внутри и снаружи наконечника. Как указано выше, расход (Q) также является обратно пропорциональным вязкости жидкости. Следовательно, вязкость жидкости можно рассчитать по формуле
.
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
1
2
2
Как указано ранее, после остановки насоса расход жидкости в наконечнике пропорционален скорости изменения давления воздуха:
, где P - давление в момент времени t; P - давление в момент времени t; α - постоянный коэффициент.
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>s</mi><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>3</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>s</mi><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
В предпочтительном примере осуществления изобретения для расчета расхода по формуле
, где β - постоянная величина, используются значения давления в момент остановки насоса и в три (3) последующих момента времени (более подробно описаны ниже). Вязкость жидкости определяют по формуле:
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где .
прекр.+3
прекр.
эт.
В указанной формуле вязкость является функцией параметра R. Параметр R называется скоростью повышения давления и рассчитывается по трем точкам (P, P, P) характеристики давления в процессе аспирации. Функция f представляет собой используемую модель калибровки, обеспечивающую наиболее точную аппроксимацию для соотношения между параметром R и вязкостью µ.
прекр.
На фиг.1 представлена характеристика давления при аспирации образцов крови объемом 2 мкл, имеющих близкую, но различную вязкость, в зависимости от времени. Чем выше кривая по оси значения, полученного в результате АЦП, тем ниже вязкость. Минимум характеристики, представленной на фиг.1, соответствует моменту остановки насоса (P). В случае жидкостей с более высокой вязкостью давление повышается медленнее, что особенно выражено для трех (3) самых нижних кривых.
На фиг.2 представлена скорость повышения давления R (определенная на основе трех значений измеренного давления) в зависимости от вязкости µ для образцов сыворотки, имеющих различную вязкость.
Аппроксимация кривой может быть выполнена с использованием известных моделей, таких как logit/log4. Можно также использовать другие модели калибровки, такие как модель аппроксимации, описанная далее.
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><msup><mo>−</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>β</mi><mn>3</mn></msub><mi>ln</mi><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>β</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
Модель Logit/log4 используется в качестве модели калибровки для определения соотношения между вязкостью и скоростью R повышения давления. На фиг.3 представлена кривая калибровки Logit/Log4 при
. Значение вязкости рассчитывают с использованием формулы
.
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
Четыре постоянных коэффициента β, β, β и β для образцов сыворотки, представленных на фиг.3, имеют следующие значения: β=-0,1709; β=19,2872; β=-3,3593; β=-0,4868. Постоянные коэффициенты β, β, β и β определяются по известным значениям скорости повышения давления R и известным значениям вязкости. Таким образом, при R=0,2 расчетное или прогнозируемое значение вязкости равно 3,243 сП (3,24 Па·с).
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>B</mi><mn>0</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>B</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>B</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow>
Другая модель аппроксимации представлена формулой
. Для данных, полученных с использованием цельной крови, как представлено на фиг.4, модель аппроксимации показана пунктирной кривой при B0=-0,0508, B1=2,4206, B2=-2,8811. Кривая, представленная сплошной линией, получена на основе модели logit/log4, описанной выше.
На фиг.5 представлена осциллограмма давления в зависимости от времени для аспирации образцов с различной вязкостью объемом 7,5 мкл.
На фиг.6a-d представлена линейность характеристики для линейной модели калибровки (сверху) и модели logit/log4. На фиг.6b и 6d показано, что с повышением вязкости уменьшается относительная погрешность.
На фиг.7 указаны профили давления текучих сред, имеющих различную вязкость, которая была измерена ротационным вискозиметром.
На фиг.8 представлен график изменения значений вязкости, непосредственно измеренных вискозиметром, в зависимости от скорости изменения давления.
На фиг.9-15 указана линейность характеристики вязкости, рассчитанной с использованием способа по настоящему изобретению на основе модели Logit/log4, в сравнении с вязкостью, измеренной вискозиметром, для различных объемов жидкости до 20 мкл.
Как показано на чертежах, корреляция между измеренными и рассчитанными с использованием способа по настоящему изобретению значениями вязкости, указанная коэффициентами R2 корреляции, является очень высокой.
Таким образом, на основе данных измерения трех различных значений давления можно рассчитать скорость R повышения давления, которая при использовании модели аппроксимации кривой, такой как logit/log4, или в результате простого применения расчета калибровочной кривой вручную обеспечивает возможность расчета вязкости измеряемой жидкости.
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>p</mi><mmultiscripts><mi>V</mi><mprescripts /><mn>1</mn><none /></mmultiscripts><msubsup><mrow /><mn>1</mn><mi>γ</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>0</mn><mi>γ</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
эт.
ref
В другом примере осуществления изобретения для расчета вязкости также используются результаты трех измерений давления. Исходный объем воздуха в наконечнике равен
, а исходное давление представляет собой давление окружающей среды и равно
(обозначается также P, или P, как указано выше). При погружении наконечника в жидкость указанная жидкость может проникнуть в наконечник вследствие капиллярного давления и воздействия силы тяжести. В результате этого
может измениться на
, а
- на
. Однако в соответствии с законом идеального газа, произведение
остается постоянным. Как указано ранее, после остановки насоса расход Q жидкости, поступающей в наконечник или выходящей из наконечника, соответствует скорости изменения объема воздуха внутри наконечника. Следовательно, также согласно указанному ранее, скорость изменения объема воздуха внутри наконечника можно использовать для определения расхода жидкости. Расход считается положительным, если текучая среда вытекает из наконечника, и отрицательным, если текучая среда поступает в наконечник. Расход
жидкости связан с изменением объема
воздуха соотношением
<maths num="22"><math display="block"><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000023.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(1)
<mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mi>μ</mi>
<mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>~</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>μ</mi></mfrac></mrow>
Давление воздуха внутри наконечника равно
и представляет собой функцию времени. Разность давления внутри наконечника и давления окружающей среды равна
. Расход жидкости, разность давлений и вязкость
жидкости связаны соотношением
или
<maths num="27"><math display="block"><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>μ</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000028.tif" he="11" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(2)
<mi>β</mi>
где постоянный коэффициент
- положительное число, которое определяется воздействием геометрической формы канала на поток жидкости.
На основании уравнений (1) и (2) можно получить следующее соотношение:
<maths num="29"><math display="block"><mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>μ</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000030.tif" he="11" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(3)
<mrow><mi>p</mi><msup><mi>V</mi><mi>γ</mi></msup><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>0</mn><mi>γ</mi></msubsup></mrow>
В типовой измерительной системе изменения давления и объема воздуха являются сравнительно небольшими. Для определения соотношения объема и давления воздуха используется уравнение адиабатического процесса для идеального газа в следующем виде:
. Изменение объема связано с изменением давления следующим соотношением:
<maths num="31"><math display="block"><mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mi>V</mi><mrow><mi>γ</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>γ</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>γ</mi></mfrac></mrow></msup><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>≈</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><mi>p</mi></mrow></math><img file="00000032.tif" he="11" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(4)
Следовательно,
<maths num="32"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>β</mi><mfrac><mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>μ</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000033.tif" he="11" wi="44" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(5)
Указанное выше уравнение (5) можно преобразовать к следующему виду:
<maths num="33"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mi>β</mi></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow><mi>μ</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000034.tif" he="11" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(6)
В результате интегрирования указанного выше уравнения (6) получаем
<maths num="34"><math display="block"><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mi>β</mi></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mfrac><mi>t</mi><mi>μ</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>C</mi></mrow></math><img file="00000035.tif" he="11" wi="50" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(7)
Изменение давления воздуха в зависимости от времени может быть представлено следующим соотношением:
<maths num="35"><math display="block"><mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>β</mi><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><mi>μ</mi></mrow></mfrac><mi>t</mi></mrow></msup><mo>+</mo><mi>B</mi></mrow></math><img file="00000036.tif" he="11" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(8)
<mrow><mi>t</mi><mo>→</mo><mi>∞</mi></mrow>
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
При
давление в наконечнике приближается к давлению окружающей среды и протекание текучей среды прекращается. Следовательно,
. В связи с этим, давление внутри системы связано с вязкостью в зависимости от времени следующим соотношением:
<maths num="38"><math display="block"><mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>β</mi><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><mi>μ</mi></mrow></mfrac><mi>t</mi></mrow></msup><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mi>k</mi><mi>μ</mi></mfrac><mi>t</mi></mrow></msup></mrow></math><img file="00000039.tif" he="11" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(9)
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>β</mi><mi>γ</mi><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
.
<mrow><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Пусть
. В результате дифференцирования указанного выше уравнения получаем:
<maths num="41"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>k</mi><mi>μ</mi></mfrac><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000042.tif" he="11" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(10)
<mi>μ</mi>
<mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
Вязкость
связана с отношением дифференциального давления
и скорости
изменения давления следующей зависимостью:
<maths num="45"><math display="block"><mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mfrac><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover></mfrac></mrow></math><img file="00000046.tif" he="11" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(11)
Указанное выше уравнение может быть представлено в виде
<maths num="46"><math display="block"><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>μ</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>K</mi><mfrac><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover></mfrac></mrow></math><img file="00000047.tif" he="11" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(12)
<mi>K</mi>
<mi>k</mi>
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mi>k</mi></mfrac></mrow>
<mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
Постоянные коэффициенты
и
определяются геометрической формой, начальным давлением и объемом воздуха внутри наконечника. Указанные два постоянных коэффициента связаны следующим соотношением:
. Эти постоянные коэффициенты могут быть определены посредством построения кривой калибровки с использованием текучих сред, имеющих известную вязкость, и определения разности (
) значений давления, а также скорости (
) изменения давления по результатам трех измерений давления, описанных ранее.
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>s</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mi>s</mi></msub></mrow>
эт.
прекр.
прекр.'
Если момент остановки насоса принять равным
, давление внутри наконечника представляет собой давление на момент остановки насоса -
. При таких условиях постоянная A в уравнении (9) представляет собой давление внутри наконечника в момент остановки насоса и, следовательно,
. В данном случае вязкость также может быть рассчитана на основе результатов трех измерений давления: P; P; P.
Вязкость можно определить по уравнению (11) или (12) с использованием линейной функции в качестве кривой калибровки. При использовании уравнения (12) по линейной кривой рассчитывают величину, обратную вязкости (1/μ), а затем по обратной величине определяют значение вязкости (μ).
Из указанного выше описания очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества:
1) расчет вязкости на основе небольшого объема аспирируемой или дозируемой жидкости посредством измерения давления только в трех точках характеристики давления в процессе аспирации или дозирования;
2) алгоритм, используемый в процессе осуществления настоящего изобретения, является достаточно простым для реализации, в частности, поскольку единственным измеряемым параметром является давление;
3) настоящее изобретение способствует определению порогов обнаружения ошибок с целью снижения частоты неправильного определения характеристик, в частности при проведении диагностического анализа. Например, если предположительное значение вязкости является высоким, то порог для индикации засоренного наконечника может быть установлен на более высоком уровне, поскольку при более низком значении порога изменение давления будет, вероятно, обусловлено как повышенной вязкостью, так и засоренным наконечником. Аналогичным образом, если рассчитанное значение вязкости является низким, то порог индикации засоренного наконечника может быть установлен на более низком уровне;
4) повышается результативность процесса, в котором используется данный способ измерений. В одном примере осуществления изобретения обеспечивают повышение надежности и точности определения объема измеряемой жидкости на основе вязкости текучей среды, определенной с использованием способа по настоящему изобретению. Например, в случае жидкости, имеющей высокую вязкость, дозирующий насос измерительного зонда может быть установлен на повышенный объем аспирации с целью аспирации требуемого объема жидкости. В альтернативном примере рассчитанное значение вязкости может быть использовано для указания оператору, что результаты процесса, такого как диагностический анализ, могут быть неправильными вследствие того, что вязкость жидкости находится за пределами нормального диапазона.
Способ расчета вязкости по настоящему изобретению может осуществляться на известном измерительном оборудовании, таком как системы, описанные в патентах США №№ 6484556, 6060320, 5750881 и 5540081, которые полностью включены в данный документ посредством ссылки. Единственным требованием является обеспечение возможности измерения давления в объеме между аспирируемой жидкостью и механизмом насоса измерительного устройства. Выполнение этого требования, в целом, обеспечивается при помощи датчика давления, размещенного между наконечником зонда, используемого для аспирации или дозирования, и насосом.
эт.
прекр.
прекр.
<mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover>
В соответствии с предпочтительным примером осуществления способа по настоящему изобретению выполняют измерение давления внутри измерительного наконечника зонда, используемого для аспирации или дозирования. Это обеспечивает измерение эталонного давления (P) или (
), которое является одним из трех результатов измерения давления по настоящему изобретению. Затем в режиме аспирации или дозирования в течение предварительно определенного интервала времени или для перемещения на определенное расстояние приводится в действие механизм насоса. По истечении предварительно определенного интервала времени или перемещении на определенное расстояние насос останавливается. В момент остановки насоса (t) или вблизи от данного момента датчик давления снова выполняет измерение давления воздуха в объеме между жидкостью и насосом (P). Следует отметить, что во многих случаях измерение давления выполняется постоянно или через дискретные интервалы времени (отсчеты времени) в течение всего процесса проведения измерений. Смотрите, например, профиль давления, представленный на фиг.1. В таких случаях давление P измеряют наряду с измерением давления в другие моменты времени. Измерение давления в момент остановки насоса представляет собой второе измерение давления, используемое для расчета вязкости в соответствии с настоящим изобретением.
прекр.'
прекр.+3
По истечении определенного интервала времени снова проводится измерение давления. Данное измерение давления является третьим измерением давления из трех измерений давления, используемых для расчета вязкости в соответствии с настоящим изобретением. Время проведения третьего измерения давления может представлять собой любой момент времени (t') после остановки насоса и до достижения равновесия потока жидкости, поступающего в наконечник или вытекающего из наконечника (P). В предпочтительном примере осуществления изобретения измерение давления выполняется в определенные моменты времени после остановки насоса. Предпочтительно, измерение давления проводится для трех (3) отсчетов времени после остановки насоса (P). Отсчеты времени представляют собой моменты времени, разнесенные на определенный интервал, в которые датчик давления выполняет автоматическое измерение давления в процессе проведения измерений. В одном примере осуществления изобретения указанный определенный интервал времени имеет длительность 5 мс. Указанные выше измерения представляют собой единственные измерения, которые требуется выполнить для расчета вязкости по настоящему изобретению.
Далее для расчета вязкости жидкости на основе результатов трех измерений давления может быть использован программный алгоритм, реализуемый на компьютере, связанном с измерительным устройством. При использовании первого примера осуществления изобретения, описанного выше, на основании результатов трех измерений давления определяют скорость R повышения давления: .
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>β</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>B</mi><mn>0</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>B</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>B</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow>
Далее кривую калибровки, предварительно построенную для измеряемой жидкости, можно использовать с моделью калибровки, такой как logit/log4, и значение R можно использовать для расчета вязкости по уравнению
, описанному ранее, или можно воспользоваться линейной моделью калибровки и рассчитать вязкость с использованием уравнения
, описанного выше.
<mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
<mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover>
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mfrac><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mover accent="true"><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>˙</mo></mover></mfrac></mrow>
прекр.
эт.
прекр.'
прекр.
При использовании второго примера осуществления изобретения, описанного выше, дифференциальное давление
рассчитывают как разность между P и P. Скорость
изменения давления в момент остановки насоса рассчитывают по уравнению
=(P-P)/(t'-t). Далее проводят расчет вязкости с использованием дифференциального давления, скорости изменения давления и кривой калибровки, предварительно построенной для измеряемой жидкости на основе соотношения
.
В альтернативном примере пользователь использует кривую калибровки скорости изменения или повышения давления в зависимости от известной вязкости, вручную нанесенную на бумагу, для определения расчетного значения вязкости на основе значения скорости изменения или повышения давления, рассчитанной по измеренным значениям давления конкретной жидкости, характеристики которой определяются.
В предпочтительном примере осуществления изобретения используется способ расчета вязкости по настоящему изобретению в процессе аспирации жидкости измерительным зондом, таким как зонд диагностического анализатора. Указанный способ включает в себя применение аспирационного зонда. Зонд содержит наконечник и насос, которые сообщаются, в целом, по трубкам по текучей среде. Датчик давления размещен таким образом, что обеспечивает в процессе аспирации измерение давления газа, обычно воздуха, в наконечнике зонда. Датчик давления, в общем, размещен между наконечником зонда и механизмом насоса.
До поступления в наконечник аспирируемой жидкости выполняют измерение начального давления газа в наконечнике аспирационного зонда. Указанное измерение может быть выполнено перед погружением наконечника зонда в жидкость или после погружения наконечника зонда в жидкость, однако до момента приведения в действие насоса.
Наконечник зонда погружают в жидкость, в целом, при помощи механизма перемещения зонда, например, реечной передачи или гидравлического привода. После погружения наконечника зонда в жидкость между поверхностью жидкости и механизмом насоса, таким как поршень поршневого насоса, остается определенный объем газа. Насос приводится в действие для перекачки соответствующего требуемого объема жидкости. Например, поршень поршневого насоса перемещается на предварительно определенное расстояние, соответствующее требуемому объему аспирируемой жидкости.
Давление в объеме газа измеряют в момент остановки насоса и через короткий интервал времени после указанного момента с целью получения данных давления в момент остановки насоса и через предварительно определенный интервал времени после указанного момента. Далее результаты измерения давления используются для расчета вязкости в соответствии с настоящим изобретением. В предпочтительном примере осуществления изобретения жидкость представляет собой образец текучей среды организма, такой как цельная кровь, плазма крови, сыворотка крови, моча или слюна. В другом примере осуществления изобретения жидкость представляет собой один или более реагентов, промывочную текучую среду, калибровочную текучую среду или контрольную текучую среду, которые используются в диагностических анализаторах. Далее рассчитанное значение вязкости можно использовать на других этапах процесса.
Как указано выше, одно из применений способа расчета вязкости по настоящему изобретению связано с диагностическим анализатором, предназначенным для определения количества анализируемого материала в образце, таком как образец биологического материала. Автоматические диагностические анализаторы представляют собой оборудование, предназначенное для использования в клинической лаборатории. Известно значительное число анализаторов и используемых методов анализа. Некоторые примеры охватывают спектрофотометрические исследования показателя поглощения, такие как анализ по конечной точке реакции и скорости реакции, турбидиметрический анализ, нефелометрический анализ, исследования затухания энергии излучения (аналогичные описанным в патентах США №№ 4496293 и 4743561), анализ захвата ионов, колориметрические исследования, флуорометрический анализ, электрохимическую диагностику, потенциометрическую диагностику и иммунологический анализ. Некоторые из этих методов или все указанные методы могут быть реализованы с использованием классической жидкостной химической обработки с применением кюветы; анализа на основе ионоизбирательных электродов; «сухого» химического исследования тонких пленок материала на предметном стекле; микроносителей и пробирок или панелей микротитратора; магнитных частиц. В патенте США № 5885530 представлено описание функционирования типового автоматического анализатора, предназначенного для проведения иммунологических исследований с использованием микроносителей и пробирки, причем указанный патент включен в настоящий документ посредством ссылки. Другие типовые диагностические анализаторы охватывают устройства, описанные в патентах США №№ 7402282, 7312084 и 7250303, которые полностью включены в данный документ посредством ссылки.
TM
В процессе функционирования типового диагностического анализатора проводится аспирация образца, как указано выше. Затем образец помещают в держатель образца. Держатель образца может представлять собой приспособление, известное в данной области техники, как описано выше. В частности, предпочтительными приспособлениями являются сухое предметное стекло, кюветы и лунки, покрытые стрептавидином. Особенно предпочтительным применением настоящего изобретения является аспирация образца жидкости из более крупного измерительного наконечника, герметизированного после отбора образца. Герметизируемые наконечники такого типа под наименованием Cuvetip, которые поставляет компания Ortho-Clinical Diagnostics, Inc., описаны, например, в патенте США № 6797518 и заявке на патент США № 2003-0022380 A1, опубликованной 30 января 2003 года, причем оба указанных документа полностью включены в настоящее описание посредством ссылки. В зависимости от используемой системы, могут применяться различные реагенты. Образец с реагентами может инкубироваться в течение требуемого интервала времени, а затем могут быть выполнены измерения. Например, в области анализаторов химических веществ может проводиться колориметрический анализ с использованием фотометра, работающего на определенной длине волны. При проведении иммунологических исследований анализ может проводиться с использованием хемилюминесценции при измерении светового излучения люминометром или при помощи флуоресценции. Сами по себе такие измерительные системы известны в данной области техники. Как указано выше, значение вязкости, рассчитанное в соответствии со способом по настоящему изобретению, может использоваться для коррекции значений вязкости, измеряемых диагностическим прибором, с целью повышения точности и надежности, например, посредством регулирования подачи насоса, или рассчитанное значение вязкости может использоваться для уведомления оператора либо подачи иным способом сигнала, касающегося того, что измеренное значение вязкости находится за пределами предварительно определенного значения или диапазона и полученный результат требует соответствующего рассмотрения.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что в соединения, составы и процессы по настоящему изобретению могут быть внесены различные изменения и дополнения. Таким образом, настоящее изобретение охватывает указанные изменения и дополнения при условии, что они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
Содержание всех документов, указанных выше, полностью включено в настоящее описание посредством ссылки в такой же степени, в которой эти документы были бы включены в настоящее описание при индивидуальной ссылке на каждый документ.