Прибор для регистрации кинетики адгезии тромбоцитов на оптической подложке с адгезивным белковым покрытием
APPARATUS FOR RECORDING THROMBOCYTE ADHESION KINETICS ON AN OPTICAL SUBSTRATE WITH AN ADHESIVE PROTEIN COATING

Изобретение относится к области медицины и может быть использована для регистрации в реальном времени кинетики адгезии тромбоцитов на иммобилизованном на оптической подложке белковом покрытии в условиях потока.
Известна лазерная оптическая тест-система для регистрации кинетики адгезии тромбоцитов, содержащая проточную камеру с оптической подложкой, источник лазерного излучения, два фотодетектора, перистальтический насос и компьютер. Оптическая подложка имеет адгезионное фибриногеновое покрытие. Перистальтический насос соединен с проточной камерой и управляется компьютером. Через проточную камеру прокачивалась плазма, обогащенная тромбоцитами. Лазерное излучение направлено на оптическую подложку на границу оптических сред стекло - плазма под углом падения больше критического, когда оно полностью отражается от поверхности подложки. При этом свет проникает в плазму за зону отражения на глубину примерно 200-300 нм и при плотной адгезии тромбоцитов на оптическую подложку взаимодействует с тромбоцитами, вызывая изменение интенсивности отраженного и рассеянного излучения, которое регистрируется фотодетекторами и передается на компьютер, который регистрирует кинетику адгезии тромбоцитов при различных скоростях сдвига, которые задаются путем изменения расхода плазмы, перекачиваемой перистальтическим насосом (Ю.Н. Автаева, И.С. Мельников, З.А. Габбасов. Регистрация в реальном времени адгезии тромбоцитов на иммобилизованном на оптической подложке фибриногеновом покрытии в условиях потока. Ж. Клеточные технологии в биологии и медицине, 2018, №1, с. 48-52).
Недостатком тест-системы является отсутствие автоматизации процесса измерения адгезии тромбоцитов. В описанной тест-системе требуется непосредственное участие оператора для отбора исследуемой жидкости, активации перистальтического насоса, активации оптического блока, отслеживания длительности записи исследования, перенаправление проточных трубок с циркуляции на слив жидкости в отходы, механическое промывание (очистка) элементов системы. Установка проточной камеры с оптической подложкой также выполняется механически, что может приводить к неправильному расположению камеры, повреждению призмы оптического блока, получению недостоверных результатов измерения. Кроме того, тест-система представлена отдельными компонентами, соединенными вручную непосредственно перед исследованием и лишена корпуса, позволяющего объединить ее в единое устройство. Для работы с тест-системой необходимо выполнять подключение через внешний аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) к внешнему компьютеру с предустановленным программным обеспечением, управляющим работой тест-системы, что делает работу с тест-системой полностью зависимой от наличия соответствующего оборудования.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание полностью автономного прибора с исключением ручных операций по отбору проб и точной установке проточной камеры относительно источника лазерного излучения и фото детекторов.
Техническая проблема решается прибором для регистрации кинетики адгезии тромбоцитов, содержащим проточный блок, оптический блок и электронно-вычислительный блок, при этом проточный блок включает резервуар для биологической жидкости, клапан, проточную камеру и циркуляционный насос, соединенные трубками с образованием циркуляционного контура, оптический блок включает призму из оптически прозрачного материала, лазер и фотодетекторы для регистрации отраженного и рассеянного лазерного излучения, при этом проточная камера установлена в оптическом блоке на призме таким образом, что оптическая поверхность призмы, обладающая способностью к адгезии тромбоцитов, образует стенку проточной камеры, а электронно-вычислительный блок соединен с циркуляционным насосом с возможностью управления расходом биологической жидкости, при этом прибор отличается тем, что он снабжен корпусом, в котором установлены проточный, оптический и электронно-вычислительный блоки, а также установленными в корпусе дозирующим насосом и приемным механизмом с сервоприводом, приемный механизм включает основание, в котором расположен оптический блок, и крышку, установленную на направляющих и связанную с сервоприводом с возможностью подъема крышки и ее опускания и прижима проточной камеры к призме оптического блока, при этом корпус выполнен с гнездом для размещения пробирки с биологической жидкостью, а дозирующий насос соединен одной трубкой с резервуаром для биологической жидкости, а также соединен с другой трубкой для откачки биологической жидкости из указанной пробирки, при этом электронно-вычислительный блок соединен также с дозирующим насосом и с оптическим блоком с возможностью управления отбором биологической жидкости из пробирки, а также управления работой лазера и обработки результатов, зарегистрированных фотодетекторами.
Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения на корпусе расположен сенсорный экран, связанный с электронно-вычислительным блоком.
Также в предпочтительном варианте выполнения внутреннее пространство корпуса разделено перегородкой на верхнюю и нижнюю часть, в верхней части расположены проточный и оптический блоки, а в нижней части - электронно-вычислительный блок.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в обеспечении автономной работы прибора за счет наличия в нем всех необходимых средств для проведения исследования от начала - помещения в него пробирки с исследуемой жидкостью - и до конца - получения результатов обработки результатов измерений, при одновременном обеспечении точной установки проточной камеры на оптический блок.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан вид на прибор сбоку со снятой стенкой корпуса.
На фиг. 2 - вид на прибор сверху со снятой крышкой.
На фиг. 3 - приемный механизм, вид спереди, с сервоприводом.
На фиг. 4 - то же, вид сбоку.
На фиг. 5 -направляющие в основании приемного механизма, вид сверху.
На фиг. 6 - схема проточного блока.
На фиг. 7 - элементы оптического блока, установленные в основании приемного механизма, вид спереди.
На фиг. 8 - оптический блок, вид спереди.
Прибор для регистрации кинетики адгезии тромбоцитов состоит из трех основных блоков - проточного, оптического и электронно-вычислительного блока, а также приемного механизма. На фиг. 1 показан корпус 1, который разделен перегородкой на две части, в верхней части расположен приемный механизм 2 и проточный и оптический блоки, а в нижней части расположен электронно-вычислительный блок 3.
Проточный блок обеспечивает отбор и циркуляцию в системе пробы биологической жидкости (создает условия постоянного контролируемого по скорости потока). Оптический блок обеспечивает регистрацию адгезии тромбоцитов на оптической подложке, покрытой адгезивной белковой поверхностью. Приемный механизм 2 позволяет установить проточную камеру проточного блока на поверхность призмы оптического блока и обеспечить плотный контакт трубок проточного блока с входным и выходным отверстиями канала проточной камеры. Электронно-вычислительный блок 3 обеспечивает управление всей системой.
Электронно-вычислительный блок
Работа с прибором начинается с запуска системы. Работа полностью автономна, так как в качестве электронно-вычислительного блока 3 в приборе установлен одноплатный компьютер Raspberry Pi3 model В, имеющий необходимые вычислительные мощности, интерфейсы для ввода/вывода информации (HDMI, USB, microUSB, Bluetooth, и т.д.). Одноплатный компьютер имеет оперативную и долговременную память, достаточную для хранения всего необходимого программного обеспечения и результатов измерений. Управление всеми функциями обеспечивается через 7-дюймовый сенсорный экран 4, установленный на корпусе 1 прибора и подключенный к одноплатному компьютеру. Информация об исследуемом образце биологической жидкости (например, дата исследования, данные исследователя, данные донора жидкости) может вводиться как вручную через сенсорный дисплей, так и автоматически путем считывания штрих-кодов и QR-кодов сканером, установленным в корпусе 1 прибора. Процессы исследования, подготовки проточного блока к исследованию (промывки) и очистки проточного блока после исследования автоматизированы.
Приемный механизм
Исследование на приборе начинается с установки проточной камеры в приемный механизм 2 (фиг. 3, 4). Приемный механизм 2 состоит из крышки 5 (например, из пластика полибутилентерэфталата - ПБТ), основания 6 (например, из пластика ПБТ) и управляющего движением крышки 5 сервопривода 7 (фиг. 1). В основании 6 расположен оптический блок. Крышка 5 скользит по стальным направляющим 8. Для того, чтобы открыть место для установки проточной камеры, активируется сервопривод 7, вал которого делает поворот на заданный градус. Движение вала передается прикрепленной к нему штанге 9. Штанга 9 скользит в вырезе, выполненном в крышке 5 приемного механизма. Отсутствие жесткой фиксации и материал штанги 9 (предпочтительно сталь) смягчают действие усилия сервопривода 7 на поверхность проточной камеры при опускании крышки 5 приемного механизма. В крышке 5 приемного механизма высверлены полости, через которые проходят трубки 10 проточного блока (фиг. 4). Для обеспечения плотного прилегания крышки 5 и точного вхождения трубок 10 в отверстия на поверхности проточной камеры трубки 10 проходят через пластину 11, предпочтительно стальную, закрепленную на крышке 5 со стороны, обращенной к основанию 6 (фиг. 2). Вокруг отверстий, из которых выходят трубки 10, проложен резиновый уплотнитель. Проточные трубки 10 не выходят напрямую из самого канала. В нем они крепятся к коротким стальным иглам, которые при опускании крышки 5 входят в отверстия на поверхности проточной камеры. Стальные иглы необходимы для обеспечения жесткости при формировании контакта между проточными трубками 10 и проточной камерой.
В основании 6 приемного механизма 2 выполнены направляющие для обеспечения максимально точного расположения отверстий на поверхности проточной камеры относительно стальных игл в пластине 11 крышки 5 приемного механизма (фиг. 5). К этим направляющим относятся: срезы 12 углов основания 6 для удобства ввода проточной камеры, стопор 13 для прижатия проточной камеры к поверхности 14 призмы оптического блока в начале введения, прижимная пружина 15 для прижатия проточной камеры к поверхности 14 призмы в конце введения и упор 16 для ограничения глубины ввода проточной камеры. При опускании крышки 5 приемного механизма действует еще один направляющий элемент: на пластине 11 в ее передней части выполнен скошенный выступ 17 (фиг. 4), который поджимает и подтягивает внутрь проточную камеру, фиксируя ее относительно упора 16 и боковых стенок основания 6 приемного механизма 2 (фиг. 5). Основание 6 приемного механизма 4 выполнено предпочтительно из пластика ПБТ.
Проточный блок
Схема проточного блока представлена на фиг. 6. Пробирка 18 с биологической жидкостью соединяется трубкой 19 с дозирующим насосом 20, предпочтительно перистальтическим, который соединен трубкой 21 с резервуаром 22 для биологической жидкости, который в свою очередь соединен трубками 23 и 24 через клапан 25, предпочтительно соленоидный, с проточной камерой 26, установленной в оптическом блоке. Циркуляционный насос 27, также предпочтительно перистальтический, соединен с одной стороны трубкой 28 с проточной камерой 26 и с другой - трубкой 29 с резервуаром 21.
Работа проточного блока также контролируется электронно-вычислительным блоком 3 - одноплатным компьютером и может корректироваться оператором командами с сенсорного экрана 4. Для проведения исследования в приемный механизм 4 устанавливается проточная камера 26, а в приемное гнездо 30 проточного блока, расположенное на корпусе 1 (фиг. 2), в котором установлена игла, подключенная к трубке 19, устанавливается пробирка 18 с биологической жидкостью. Обычно используется кровь или плазма крови, полученные от обследуемого человека. С помощью управления на сенсорном экране 4 прибора через одноплатный компьютер активируется дозирующий насос 20, который перекачивает определенное количество крови (например, 400 мкл) во внутренний резервуар 22 для биологической жидкости. Далее активируется циркуляционный насос 27, который обеспечивает циркуляцию жидкости из резервуара 22 по трубке 23 через соленоидный клапан 25 в трубку 24, далее через канал проточной камеры 26 в трубку 28 и через трубку 29 обратно в резервуар 22, откуда жидкость снова поступает под действием циркуляционного насоса 27 в трубку 23, и цикл повторяется. При этом соленоидный клапан 25 направляет ток жидкости из трубки 23 в трубку 24. Длительность цикла может составлять, например, 10 минут. Когда заданное время циркуляции заканчивается, соленоидный клапан 25 переключается на слив жидкости, перекрывая при этом движение жидкости из трубки 23 в трубку 24. Согласно установленным правилам эксплуатации, оператор проводит мероприятия по очистке: устанавливает в приемное гнездо 30 проточного блока (то есть на иглу) пробирку с чистящим раствором и активирует соответствующую задачу в программном обеспечении прибора с помощью сенсорного экрана 4.
Оптический блок
В основании 6 приемного механизма 4 выполнены места для установки компонентов оптического блока: лазера 31, призмы 32, фотодетекторов отраженного 33 и рассеянного 34 света (фиг. 7). С помощью приемного механизма 4 на верхнюю поверхность призмы 32 устанавливается проточная камера 26 с открытым со стороны призмы 32 каналом.
Оптический блок прибора работает во время циркуляции пробы биологической жидкости (например, крови или плазмы крови) в системе (фиг. 6). Включается лазер 31. Луч лазера 31 падает на призму 32, где преломляется и направляется к границе оптических сред, представленных прилежащим к верхней поверхности призмы 32 каналом проточной камеры 26 и протекающей в канале жидкостью. Верхняя поверхность призмы 32, образующая стенку канала проточной камеры 26, выполнена адгезивной по отношению к тромбоцитам (имеет покрытие из адгезивного к тромбоцитам вещества или обработана таким образом, что она приобретает способностью к адгезии тромбоцитов). При адгезии тромбоцитов на поверхность призмы 32 луч лазера 31 частично отражается, а частично рассеивается от границы оптических сред. Установленные в основании приемного механизма фото детекторы 33 и 34 сориентированы так, что один из них регистрирует только отраженный свет лазера 31, а другой - только рассеянный свет. Фотодетекторы 33 и 34 трансформируют интенсивность светового потока в силу тока, которая регистрируется одноплатным компьютером, обрабатывается и сохраняется.
Предложенный прибор обладает следующим преимуществами перед прототипом.
1. Прибор полностью автономный: имеет свои вычислительные мощности, память, внутренний АЦП (в статье - внешний), управляется через установленный сенсорный экран, имеет возможность ввода/вывода информации через USB и сканер штрих-кодов, подключения по удаленной связи через Bluetooth.
2. Введен дозирующий насос 20 для отбора пробы (в прототипе она выполняется механически шприцевым дозатором), клапан 25 для переключения между циркуляцией жидкости в системе и сливом жидкости в отходы.
3. Разработан приемный механизм 4, в котором выполнена частичная автоматизация за счет применения сервопривода 7 и различных направляющих элементов, позволяющих правильно установить проточную камеру 26.
4. Разделены проточный и электронно-вычислительный блоки прибора: проточный сверху, электронно-вычислительный снизу - для обеспечения удобства доступа и предотвращения попадания жидкости на элементы электронно-вычислительного блока в случае нарушения герметичности проточной системы.