Устройство и способ экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови
APPARATUS AND METHOD FOR EXPRESS ESTIMATION OF AGGREGATIVE ACTIVITY OF FORMED ELEMENTS OF BLOOD

Изобретение относится к области медицины, конкретно к устройствам и способам оценки агрегационной активности форменных элементов крови.
Функциональное состояние системы гемостаза играет важную роль в поддержании нормального кровотока, предупреждении и купировании геморрагии, тромбозов, ишемий и инфарктов органов, защите от диссеминации бактериями и токсинами из очагов поражения. В этом состоит важнейшее общебиологическое значение системы гемостаза в патогенезе заболеваний [3].
В случае нарушений состояния системы гемостаза наибольший терапевтический эффект достигается в результате целенаправленной коррекции этих нарушений [1, 2]. Активное применение в клинической практике современных высокоэффективных антикоагулянтов прямого и непрямого действия, антиагрегантов и тромболитиков требует контроля за состоянием свертывающей системы крови в режиме реального времени у постели больного. Все перечисленное определяет высокую значимость гемостазиологических исследований в медицинской практике.
2
12
Для предотвращения тромботических осложнений, как при кардиологических заболеваниях, так и при других нозологиях, требуется корректная антиагрегантная терапия, с помощью ингибиторов ЦОГ-1 тромбоцитов, блокаторов РУ-рецепторов, антагонистов GPIIb/IIIa-рецепторов, ингибиторов фосфодиэстеразы и т.д., применяемых в виде монотерапии, а также в виде двойной антиагрегантной терапии. Множество из проводимых исследований выявляют не только резистентность к получаемой антиагрегантной терапии, но также и извращенный ответ, проявляющийся повышением функциональной активности форменных элементов крови после приема антиагреганта. Вышеперечисленное диктует необходимость мониторинга эффективности применения антиагрегантов для профилактики развития тромботических осложнений на фоне длительной, а зачастую пожизненной, терапии.
Максимально ранняя и точная диагностика нарушений в системе гемостаза - фактор, от которого зависит своевременное лечение больного и начало профилактических мероприятий по предотвращению осложнений [2, 3].
На сегодняшний день существует широкий спектр общепринятых методов исследования системы гемостаза, основанных на оценке цитратной венозной крови с длительной преаналитикой [6], что не позволяет своевременно и корректно оценить функциональное состояние анализируемой системы, поскольку не дает целостной картины всей системы. Развернутое исследование всех звеньев гемостаза является трудоемким, требует большого количества крови обследуемого, в ряде случаев недостаточно оперативно и носит преимущественно исследовательский, а не прикладной характер.
В настоящее время, самым распространенным в клинической практике способом оценки агрегационной активности тромбоцитов является способ, включающий ее определение до и после назначения антиагреганта через 2-3 и 5 дней. Золотым стандартом в лабораторной практике является определение агрегационной активности тромбоцитов турбодиметрическим методом Борна и О'Брайена, основанном на исследовании изменений оптической плотности плазмы. Контроль проводят с использованием агрегометра, по динамике снижения функции тромбоцитов богатой тромбоцитами плазмы больного на фоне приема антиагреганта (метод по Борну и О'Брайену) [4]. Распространенность явления - аспиринорезистентности, по многочисленным данным достигает от 2% до 46% [5], такая вариабельность связана в первую очередь, с отсутствием общепринятой методики оценки указанного состояния, широкой вариабельностью и малой воспроизводимостью результатов известных тестов. Агрегацию тромбоцитов исследуют в образце обогащенной тромбоцитами плазмы (ОТП), стабилизированной каким-либо антикоагулянтом. В зависимости от задач исследования возможно применение различных антикоагулянтов (цитрат Na, кислый цитрат-декстрозный раствор, гепарин гирудин и т.д.). Кроме того, в исследовательской практике иногда выделяют тромбоциты в среде заданного состава. Для исследования агрегации тромбоцитов готовят обогащенную тромбоцитами плазму (ОТП) и бедную тромбоцитами плазмы (БТП). Наиболее часто в качестве антикоагулянта используют 130 мМ раствор цитрата натрия - 3,2% раствор безводного цитрата натрия.
Подготовленная к исследованию ОТП разливают по 0,3 мл в кюветы для агрегометра, и хранят при комнатной температуре до начала исследования. В кювету с подготовленной к исследованию ОТП помещают магнитную мешалку (скорость перемешивания 800 об/мин) и устанавливают кювету в ячейку лазерного анализатора агрегации тромбоцитов, для предварительной инкубации на 3 минуты, при температуре 37°С, далее запускают процесс исследования. После открытия окна записи через 10 секунд, по звуковому сигналу пипеткой добавляют в кювету (не вынимая ее из рабочей ячейки) необходимую дозу индуктора (АДФ, ФАТ, коллаген, арахидоновая кислота). При исследовании агрегации традиционным методом по Борну и О'Брайену результаты исследований принято представлять в процентах, причем за 0% агрегации принимается начальное состояние обогащенной тромбоцитами плазмы (ОТП), а за 100% принимают состояние бедной тромбоцитами плазмы (БТП). [3, 6].
Для оценки эффективности проводимой терапии, проводят вышеописанное исследование повторно через 2-3 и 5 дней. По степени изменения интенсивности агрегации на 50% и более от исходного уровня считают терапию эффективной, а состояние, при котором происходит изменение агрегации тромбоцитов на 20% менее исходного уровня определяют, как аспиринорезистентность.
Основными недостатками данного метода являются:
- длительность проведения исследования;
- сложность пробоподготовки;
- невозможность проведения исследования у постели больного;
- вариабельность результатов;
- недостаточная информативность и достоверность результатов в связи с использованием подготовленной к исследованию пробы крови.
Наиболее близким к предлагаемому выбранным в качестве прототипа, является способ определения агрегационной активности с помощью низкочастотной пьезотромбоэластографии (НПТЭГ) [5] с использованием аппаратно-программного комплекса АРП-01М «Меднорд» (Р.С. 2010/09767) [7], согласно которому для проведения исследования у испытуемого из кубитальной вены производят забор венозной крови в количестве 0,5 мл, которую незамедлительно переносят в кювету, находящуюся в термостатируемой ячейке прибора, куда помещают иглу-резонатор, закрепленную на пьезоэлектрическом элементе, регистрируют вязкостно-хронометрические характеристики крови и по результатам изменения показателей tl (период реакции, представляющий время от начала исследования до достижения максимального снижения амплитуды - А1, в мин) и ИКК (интенсивность контактной фазы коагуляции), делается заключение об агрегационной активности форменных элементов крови и об эффективности проводимой терапии - увеличение времени t1 в 2 и более раз, снижение ИКК в 2 и более раз, свидетельствует об эффективности проводимой антиагрегантной терапии.
Недостатками метода НПТЭГ являются:
- недостаточная точность и информативность способа, ввиду значительного влияния на агрегацию адгезивных свойств тромбоцитов, за счет физического контакта сенсора с пробой и адгезии поверхностью емкости, в которую помещают пробу крови в объеме 0,5 мл;
- высокая стоимость комплекса;
- необходимость высокой квалификации персонала.
Новый технический результат - повышение точности и информативности способа за счет снижения влияния на результат исследования адгезии форменных элементов крови вследствие отсутствия физического контакта сенсора с пробой, а также расширение области использования метода благодаря снижению объема используемой крови до 50-100 мкл.
Для достижения нового технического результата в устройстве для экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови, состоящем из измерительного блока, включающего кювету для размещения пробы крови и блок регистрации и анализа показателей характеристик крови, измерительный блок дополнительно содержит расположенные соосно с кюветой: лазерный диод и цифровую камеру, при этом, кювета размещена на подвижном основании, в центре которого выполнено отверстие для обеспечения прохождение лазерного луча от установленного под ним лазерного диода, а цифровая камера расположена над кюветой с возможностью регулировать расстояние на 5-10 см относительно ее верхнего края, также цифровая камера подключена к блоку обработки и отображения информации, состоящему из микроконтроллера или микропроцессора, модуля памяти, клавиатуры, дисплея, модуля Wi-Fi, USB-контроллера, блока питания, при этом выход блока питания соединен со входом микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен со входом дисплея, выход микроконтроллера соединен со входом драйвера лазерного диода, который соединен с лазерным диодом, выходы клавиатуры соединены со входами микроконтроллера, выходы модуля Wi-Fi, USB-контроллера и дисплея соединены со входами микроконтроллера также, как и выходы микроконтроллера соединены со входами модуля Wi-Fi, USB-контроллера и дисплея, измерительный блок устройства соединен с персональным компьютером с помощью USB-кабеля.
Также, кювета изготовлена методом 3D-печати и покрыта изнутри силиконом.
В способе экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов, включающем помещение пробы крови в кювету, воздействие на нее физическим фактором с последующей регистрацией характеристик крови и сравнением их значений с референтными аналогичными значениями, определенными у здоровых добровольцев для различных возрастных групп, принимаемыми за норму, в качестве физического фактора используют рассеянное лазерное излучение, мощностью 5-10 мВт и длиной волны 600-1200 нм, которым воздействуют на пробу нативной крови объемом 50-100 мкл помещенную в кювету высотой 200-500 мкм, толщиной дна 300-500 мкм и диаметром 10-12 мм измерительного блока устройства по п. 1, одновременно регистрируют спекл-изображения цифровой камерой через интервалы времени 10-50 мс в течение 10 минут в модуль памяти, далее с помощью программного обеспечения рассчитывают коэффициент корреляции цифровых спекл-изображений, записанных в модуль памяти, выводят кривую коэффициента корреляции на дисплей, по которой определяют время агрегационной активности форменных элементов крови, как интервал между значением времени начала исследования и значением времени, соответствующему достижения максимальной амплитуды (МА) кривой коэффициента корреляции и при увеличении времени относительно нормы определяют состояние гиперкоагуляции, а при его снижении относительно нормы определяют состоянии гипокоагуляции.
Новым в устройстве является то, что в устройстве измерительный блок дополнительно содержит расположенные соосно с кюветой: лазерный диод и цифровую камеру, при этом, кювета размещена на подвижном основании, в центре которого выполнено отверстие для обеспечения прохождение лазерного луча от установленного под ним лазерного диода, а цифровая камера расположена над кюветой с возможностью регулировать расстояние на 5-10 см относительно ее верхнего края, также цифровая камера подключена к блоку обработки и отображения информации, состоящему из микроконтроллера или микропроцессора, модуля памяти, клавиатуры, дисплея, модуля Wi-Fi, USB-контроллера, блока питания, при этом выход блока питания соединен со входом микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен со входом дисплея, выход микроконтроллера соединен со входом драйвера лазерного диода, который соединен с лазерным диодом, выходы клавиатуры соединены со входами микроконтроллера, выходы модуля Wi-Fi, USB-контроллера и дисплея соединены со входами микроконтроллера также, как и выходы микроконтроллера соединены со входами модуля Wi-Fi, USB-контроллера и дисплея, измерительный блок устройства соединен с персональным компьютером с помощью USB-кабеля.
Также, кювета изготовлена методом 3D-печати и покрыта изнутри силиконом.
Новым в способе является то, что в качестве физического фактора используют рассеянное лазерное излучение, мощностью 5-10 мВт и длиной волны 600-1200 нм, которым воздействуют на пробу нативной крови объемом 50-100 мкл помещенную в кювету высотой 200-500 мкм, толщиной дна 300-500 мкм и диаметром 10-12 мм измерительного блока устройства по п. 1, одновременно регистрируют спекл-изображения цифровой камерой через интервалы времени 10-50 мс в течение 10 минут в модуль памяти, далее с помощью программного обеспечения рассчитывают коэффициент корреляции цифровых спекл-изображений, записанных в модуль памяти, выводят кривую коэффициента корреляции на дисплей, по которой определяют время агрегационной активности форменных элементов крови, как интервал между значением времени начала исследования и значением времени, соответствующему достижения максимальной амплитуды (МА) кривой коэффициента корреляции и при увеличении времени относительно нормы -определяют состояние гиперкоагуляции, а при его снижении относительно нормы определяют состоянии гипокоагуляции.
Существенные признаки технических решений проявили в заявляемой совокупности новые свойства, явным образом не вытекающие из уровня техники в данной области и неочевидные для специалиста.
Идентичной совокупности признаков, характеризующих способ и устройство для экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови не обнаружено в патентной и научно-медицинской литературе.
Экспериментальные и клинические исследования подтвердили, что предлагаемые способ и устройство могут быть использованы в практическом здравоохранении для экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови с целью коррекции гемокоагуляционных расстройств и повышения качества лечения и жизни пациентов.
Предлагаемое устройство для экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови иллюстрируется чертежами, представленными на Фигурах 1-2.
На Фигуре 1 приведена блок-схема устройства для экспресс-оценки агрегационной активности форменных элементов крови.
Измерительный блок содержит: кювету 1, установленную на подвижном основании 2, с выполненным центре него отверстием 2а и расположенным под ним лазерным диодом 3, установленными соосно с цифровой камерой 4, расположена над кюветой 1 с возможностью регулировать на 10-20 см расстояние относительно ее верхнего края, при этом цифровая камера 4 подключена к блоку обработки и отображения информации 5, состоящему из микроконтроллера (или микропроцессора) 6, модуля памяти 8, клавиатуры 9, дисплея 10, модуля Wi-Fi 13, USB-контроллера 11, блока питания 7, при этом выход блока питания 7 соединен со входом микроконтроллера 6, выход микроконтроллера 6 соединен со входом дисплея 10, выход микроконтроллера 6 соединен со входом драйвера лазерного диода 12, который соединен с лазерным диодом 3, выходы клавиатуры 9 соединены со входами микроконтроллера 6, выходы модуля Wi-Fi 13, USB-контроллера 11 и дисплея 10 соединены со входами микроконтроллера 6, также, как и выходы микроконтроллера 6 соединены со входами модуля Wi-Fi 13, USB-контроллера 11 и дисплея 10, измерительный блок устройства соединяется с персональным компьютером с помощью USB-кабеля.
Микроконтроллер 6 блока обработки и отображения информации 5 содержит программное обеспечение для связи с цифровой камерой 4 с целью обработки результатов исследований, и связывает в единое целое все части устройства: систему питания 7 - обеспечивающую подачу напряжения на все элементы устройства; модуль памяти 8, предназначенный для временного хранения спекл-изображений; клавиатуру 9, связанную напрямую с микроконтроллером, и позволяющую включать/выключать устройство, дисплей 10 для отображения состояния прибора, USB-контроллер 11 для подключения к ПК; драйвер лазерного диода 12 - для управления излучением лазерного диода; модуль Wi-Fi 13 - для соединения с беспроводной сетью для получения деталей исследования и/или передачи данных на внешние устройства.
Способ осуществляют следующим образом.
Пробу нативной венозной крови в объеме 50-100 мкл помещают в кювету 1 глубиной 200-500 мкм, толщиной дна 300-500 мкм и диаметром 10-12 мм измерительного блока, далее кювету 1 устанавливают на подвижное основание 2, предварительно откалиброванное по высоте для получения наиболее четких спекл-изображений на цифровой камере 4. Нажатием соответствующей кнопки на клавиатуре 9 начинают процесс измерения. Включают лазерный диод 1 путем подачи на него сигнала с драйвера лазерного диода 12, и одновременно начинают регистрацию с помощью цифровой камеры 4 через интервалы времени 10-50 мс в течение 10 минут. При прохождении лазерного излучения через кювету 1 с помещенной в нее пробой крови происходит рассеяние света и формирование спекл-поля в пространстве между кюветой 1 и цифровой камерой 4. Спекл-поле регистрируют в виде спекл-изображений цифровой камерой. При изменении структуры пробы в процессе свертывания происходит изменение спекл-поля в результате изменения рассеяния света пробой. Эти изменения регистрируют в виде кадров цифровой записи. Кадры цифровой записи помещают с помощью микроконтроллера 6 в модуль памяти 8. После 10 минут записи микроконтроллер 6 поочередно считывает кадры из модуля памяти и производит расчет коэффициента корреляции с использованием заданной формулы [Л. Ли, Ю.Д. Сытник, Ф.А. Губарев, Я.С. Пеккер // Медицинская техника. - 2018. - №3. - С. 23-25.]:
ij
ij
ij
ij
ij
ij
ij
ij
где  - средняя интенсивность текущего спекл-изображения; ƒ(x,y) - интенсивность пикселя на позиции (x,y);  - средняя интенсивность предыдущего спекл-изображения; g(x,y) - интенсивность пикселя на позиции (x,y).
Рассчитанные значения коэффициента корреляции выводят последовательно на дисплей ПК для наблюдения процесса в режиме реального времени, а также помещают в модуль памяти 8 для временного хранения. После окончания расчета значений коэффициента корреляции всех спекл-изображений, рассчитывают время от начала исследования до значения времени, соответствующего времени достижения максимального значения амплитуды (МА) коэффициента корреляции на стадии нарастания, которое также выводят на дисплей ПК.
Блок питания обеспечивает требуемые уровни напряжений для всех компонентов устройства. Входное напряжение блока питания - напряжение сети переменного тока 220 В, 50 Гц.
При нажатии на клавиатуре управления кнопки включения, микроконтроллер 6 переходит в основной режим работы, и подключает питание на дисплей 10.
После выбора пользователем в программном обеспечении на персональный компьютер (ПК) режима проведения нового исследования, микроконтроллер устанавливает режим работы драйвера лазерного диода таким образом, чтобы драйвер выдавал ток требуемой величины, чтобы обеспечить требуемый уровень мощности излучения. Прибор должен быть подключен к ПК проводным соединением через разъем USB или с помощью Wi-Fi. На ПК запускают специальное программное обеспечение для записи изображений с цифровой камеры в память ПК. После записи изображений в окне программы отображается график процесса свертывания крови во времени, кривую коэффициента корреляции выводят на дисплей, далее, по кривой коэффициента корреляции определяют время агрегационной активности форменных элементов крови, как интервал времени между началом исследования и значением времени, соответствующем максимальной амплитуде (МА) кривой коэффициента корреляции и при увеличении относительно нормы времени определяют состояние гиперкоагуляции, а при его снижении относительно нормы определяют состоянии гипокоагуляции.
Объем крови 50-100 мкл выбран экспериментально как минимальный объема, в котором с наибольшей достоверностью регистрируются временные параметры процесса свертывания крови.
Параметры кюветы подбирали под объем 50-100 мкл, чтобы обеспечить среднюю толщину слоя крови примерно 500 мкм.
Мощность и экспозицию лазерного диода выбирали исходя из возможности обеспечения яркого изображения спеклов и отсутствия насыщения цифровой камеры. Мощность лазера 5-10 мВт обеспечивает диффузное рассеяние света в слое крови. При большей мощности лазерное излучение рассеивается в меньшей степени и приводит к засветке сенсора камеры.
Также в диапазоне длин волн 600-1200 нм кровь имеет наименьшее поглощение, что дает возможность регистрировать свет, рассеянный фибриновым сгустком и другими элементами крови.
Примеры на осуществление способа.
Пример 1. Условно здоровый доброволец Д. 28 лет, одновременно были проведены тесты с использованием заявляемого устройства согласно заявляемому способу и аппаратно-программного комплекса АРП-01М "Меднорд".
Пробу нативной венозной крови в объеме 50 мкл помещали в кювету 1 глубиной 200 мкм, толщиной дна 300 мкм и диаметром 10 мм измерительного блока, далее кювету 1 устанавливали на подвижное основание 2, предварительно откалиброванное по высоте 10 см для получения наиболее четких спекл-изображений на цифровой камере 4. Нажатием соответствующей кнопки на клавиатуре 9 начинали процесс измерения. Включали лазерный диод 3 путем подачи на него сигнала с драйвера лазерного диода 12, и одновременно начинали регистрацию с помощью цифровой камеры 4 через интервалы 10 в течение 10 минут. Спекл-поле регистрировали в виде спекл-изображений цифровой камерой. Эти изменения регистрировали в виде кадров цифровой записи. Кадры цифровой записи помещали с помощью микроконтроллера 6 в модуль памяти 8. Рассчитанные значения коэффициента корреляции выводили последовательно на дисплей ПК для наблюдения процесса в режиме реального времени. После окончания расчета значений коэффициента корреляции всех спекл-изображений, рассчитывали время от начала исследования до значения времени, между началом исследования и значением времени, соответствующем максимальной амплитуде (МА) кривой коэффициента корреляции на стадии нарастания, которое также выводили на дисплей ПК. Получили кривую коэффициента корреляции на Фигуре 2 (пациент 1), на которой максимальное значение амплитуды (МА) соответствует моменту времени 52.7 секунды.
Значение времени свертывания крови, измеренное аппаратно-программным комплексом АРП-01М "Меднорд", для пациента 1 составило 1 минута 36 секунд.
Оба результата, полученных с примением различных устройств соответствуют состоянию нормокоагуляции.
Пример 2. Условно здоровый доброволец Д. 28 лет, принимал препараты, блокирующие свертывание крови, одновременно были проведены тесты с использованием предлагаемого устройства и способа и аппаратно-программного комплекса АРП-01М "Меднорд".
Получены следующие данные:
На Фигуре 2 показана кривая коэффициента корреляции. Максимальное значение амплитуды (МА) соответствует моменту времени 7 минут 39 секунд.
Значение времени свертывания крови, измеренное аппаратно-программным комплексом АРП-01М "Меднорд", для пациента составило 5 минут 48 секунд.
Результат соответствует состоянию гипокоагуляции.
Таким образом, результаты, полученные предлагаемым способом с использованием, иного физического фактора воздействия на пробу крови, а именно рассеянного лазерного излучения мощностью 5-10 мВт и длиной волны 600-1200 нм соответствуют результатам, полученными референтным методом с помощью АРП-01М "Меднорд", одновременно для тех же пациентов, и позволяют с высокой достоверностью выявить отклонения в свертываемости крови.
Преимуществом нового способа с применением оригинального устройства является возможность использования микрообъемов венозной крови (50-100 мкл), помещенных в измерительную кювету и проведение быстрой оценки агрегационной активности форменных элементов крови, а также повысить точность измерений за счет снижения влияния адгезии форменных элементов крови на результат исследования.
Источник информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Описание изобретения к патенту №2413954. Способ оценки функционального состояния системы гемостаза. И.И. Тютрин, А.И. Стеценко, В.В. Удут, С.А. Грибов, Т.А. Семиглазова, М.А. Соловьев, Е.В. Бородулина. Опубликован: 10.03.2011 Бюл. №7
2. Описание изобретения к патенту №2216745. Способ дифференцированной оценки гемостаза у недошенных новорожденных. Е.В. Михалев, С.П. Ермоленко, Г.П. Филиппов. Опубликован 20.11.2003.
3. Заболотских И.Б. и др. Диагностика и коррекция расстройств системы гемостаза. / Практическая медицина, 2008, 333 с. [найдено в Интернет: http://www.hemostas.ru].
4. Долгов В.В. Лабораторная диагностика нарушений гемостаза / В.В. Долгов, П.В. Свирин. -  М. - Тверь: Триада, 2005. - 227 с.
5. Удут В.В., Тютрин И.И. и соавт. Технология низкочастотной пьезотромбоэластографии в мониторинге противотромботической терапии / В.В. Удут, И.И. Тютрин и соавт. // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2017. - №11. - С.
6. Вавилова Т.В. Как построить программу лабораторного обследования больного с нарушениями в свертывании крови. / Атеротромбоз. 2017. №2. С. 95-18.
Приложение
Фигура 1. Устройство для экспресс-оценки состояния системы гемостаза
1. Лазерный диод.
2. Подвижное основание
3. Измерительная кювета
4. Цифровая камера
5. Блок обработки и отображения информации.
6. Микропроцессор или микроконтроллер.
7. Блок питания.
8. Модуль памяти.
9. Клавиатура.
10. Дисплей.
11. USB-контроллер.
12. Драйвера лазерного диода
13. Модуль Wi-Fi.
Фигура 2. Коэффициент корреляции добровольца (верхний график до приема антикоагулянта, а нижний график -после приема антикоагулянта)
м
С - максимальное значение коэффициента корреляции спекл-изображений
c
t - время свертывания крови, соответсвующее максимальному значению коэффициента корреляции спекл-изображений