УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЧАСТИЦ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ПО СКОРОСТЯМ
DEVICE FOR VELOCITY-RELATED PARTICLE COUNT AND DISTRIBUTION IN BIOLOGICAL MATRIX

Изобретение относится к медицинской измерительной технике, преимущественно к анализаторам основных показателей фертильности спермы, и может быть использовано для определения характеристик других биологических сред.
Из достигнутого уровня техники известно устройство для измерения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям (сперматозоидов, бактерий и т.д.), содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси: источник света, коллиматор, формирователь сходящегося конического пучка света с кольцевым поперечным сечением, камеру для исследуемого образца, диафрагму, пропускающую только свет, претерпевший рассеяние или отражение в измерительном объеме камеры и линзу. В предметной плоскости линзы расположена камера для исследуемого образца, а в плоскости изображения линзы размещен матричный фотоэлектрический преобразователь. Выход преобразователя через АЦП соединен с вычислителем (микропроцессором) (см. US 4896966, Boisseau et al., 30.01.1990).
Использование формирователя сходящегося конического пучка света с кольцевым поперечным сечением, воздействующего на находящийся в камере образец, а также диафрагмы, пропускающей только рассеянный или отраженный свет, предотвращает паразитную засветку матричного фотоэлектрического преобразователя светом, не претерпевшим рассеяние и отражение в измерительном объеме. Это предполагает получение достаточно высокого отношения сигнал/шум, однако этот результат достигается за счет существенного усложнения устройства. Использование многокомпонентной оптической системы приводит не только к увеличению габаритов устройства, но и его стоимости, в том числе за счет увеличения трудозатрат при его сборке и юстировке. Кроме того, использование матричного фотоэлектрического преобразователя, например, на основе приборов с зарядовой связью, неизбежно влечет за собой необходимость использования сложных алгоритмов обработки поступающего на вход вычислителя видеосигнала.
Известно также устройство для определения распределения частиц биологических сред по скоростям и содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси источник света пространственный модулятор света (оптический элемент), обеспечивающий периодическую амплитудную модуляцию падающего на него пучка, камеру для исследуемого образца и фотоприемник, выход которого соединен с входом вычислителя, который выполнен в виде анализатора спектра мощности фототока (см. RU 2130183, Габбасов и др., 10.05.1999 - прототип).
Это устройство характеризуется, с одной стороны, небольшими габаритами, а с другой - низким отношением сигнал/шум, поскольку на фотоприемник поступает не только полезный сигнал (часть амплитудно-модулированного в поперечном сечении пучка от источника света, которая претерпела рассеяние на находящихся в измерительном объеме частицах), но и паразитная засветка, а именно часть упомянутого выше пучка, прошедшая измерительный объем без рассеяния. При этом, как следует из описания к более позднему изобретению (RU 2282853, Габбасов, 27.08.2006), паразитная засветка фотоприемника приводит к существенным погрешностям при определении количества частиц в измерительном объеме. Таким образом, сигнал с выхода фотоприемника обеспечивает возможность получения не только информации о распределении частиц по скоростям (на основе регистрации спектра фототока), но и о количестве частиц в измерительном объеме посредством известного из уровня техники алгоритма обработки сигнала фотоприемника.
Что касается точности определения распределения частиц по скоростям в прототипе, то сведения об используемом пространственном модуляторе света отсутствуют. Однако в представляющем безусловный практический интерес случае использования дифракционной решетки в качестве пространственного модулятора света, движение частицы в созданном интерференционном поле приведет к появлению двух сигналов. Первый сигнал обусловлен пересечением частицей главных максимумов интерференционного поля, а второй - побочный сигнал - пересечением той же частицей вторичных максимумов интерференционного поля, имеющих меньший пространственный период по сравнению с пространственным периодом главных максимумов. При этом, несмотря на то, что интенсивность вторичных максимумов составляет около 4% от интенсивности главных максимумов, появление побочного более высокочастотного сигнала может привести к существенным ошибкам измерений, в частности при определении верхней границы диапазона скоростей частиц.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения точности определения как количества частиц биологических сред, так и распределения их по скоростям при одновременном сохранении габаритов устройства. Достигаемый при этом технический результат заключается в исключении попадания на фотоприемник как паразитной засветки, так и света, рассеянного в областях камеры, расположенных вне измерительного объема, а также в существенном уменьшении паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала.
Поставленная задача решена тем, что устройство для определения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям содержит источник света, оптический элемент, камеру для исследуемого образца и фотоприемник, выход которого соединен с входом блока вычисления.
1
и
2
1
1
2
и
Согласно изобретению, источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризма Френеля, первая щелевая диафрагма, камера для исследуемого образца, вторая щелевая диафрагма и фотоприемник расположены в указанной выше последовательности вдоль общей оси, а излучаемый источником гауссовый пучок квази- или монохроматического света направлен на грань бипризмы Френеля, которая перпендикулярна общей оси и расположена напротив пересекающего под прямым углом общую ось ребра тупого угла бипризмы Френеля. Обе щелевые диафрагмы расположены в параллельных плоскостях, причем их щели расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла бипризмы Френеля. Камера для исследуемого образца расположена параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме интерференционного поля посредством двух дополнительных пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой из пучков света, преломленных бипризмой Френеля, при выполнении соотношений: L=(1,0-1,2)hctg(Θ/2); h≤h<h, где L, h, h - расстояние между первой и второй щелевыми диафрагмами и ширина их щелей, соответственно; h - размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости; Θ - угол пересечения дополнительных пучков.
и
1
1
-1
Устройство может характеризоваться тем, что размер измерительного объема камеры для исследуемого образца в направлении измеряемой скорости удовлетворяет соотношению: h=h{1-2d[hctg(Θ/2)]}, где d - расстояние между первой щелевой диафрагмой и ближайшей к ней внутренней поверхностью камеры для исследуемого образца.
Устройство может характеризоваться тем, что блок вычисления выполнен с возможностью спектрального анализа фототока и определения отношения квадрата средней интенсивности падающего на фотоприемник света к дисперсии флуктуации этой интенсивности.
Преимущество патентуемого устройства перед прототипом состоит в том, что совместное использование бипризмы Френеля и первой щелевой диафрагмы обеспечивают формирование интерференционного поля в измерительном объеме камеры посредством двух пересекающихся под углом Θ дополнительных пучков света, которые выделяются с помощью первой щелевой диафрагмы соответственно из первого и второго преломленных бипризмой Френеля пучков света. При этом, изменяя расстояние между бипризмой Френеля и первой щелевой диафрагмой, можно изменять степень неравномерности распределения интенсивности по сечению одновременно обоих дополнительных пучков, интенсивность обоих дополнительных пучков, а также в небольшом диапазоне - величину угла Θ между ними. Это дает возможность регулировать соответственно степень паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала, видимость интерференционных полос, а также их пространственный период.
Кроме того, использование для формирования интерференционного поля в измерительном объеме камеры двух дополнительных пучков, пересекающихся между собой под углом Θ, биссектриса которого совпадает с общей осью устройства, обеспечивает возможность с помощью только одной второй щелевой диафрагмы исключить попадание на фотоприемник как паразитной засветки, так и света, рассеянного вне измерительного объема камеры, что повышает отношение сигнал/шум с 25-28 дБ до 40-48 дБ, что дает возможность повысить точность определения количества сперматозоидов и распределение их по скоростям.
Замена пространственного модулятора света на бипризму Френеля не приводит к увеличению осевых размеров и габаритов устройства. Первая щелевая диафрагма, как будет показано ниже, в предпочтительном случае располагается вплотную к камере. Что касается расстояния L, то его величина, в большинстве практически важных случаев, не превышает 20 мм. Иными словами, предложенное устройство, как и прототип, сохраняет небольшие осевые размеры.
Сущность изобретения поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанных выше технических результатов патентуемой совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения количества частиц биологических сред и распределения их по скоростям; на фиг.2 - вариант формирования бипризмой Френеля перекрывающихся между собой пучков света; на фиг.3 - распределение модуля амплитуды в поперечном сечении пучков света, преломленных бипризмой Френеля в сечении А-А фиг.2.
Устройство содержит (фиг.1) расположенные последовательно вдоль общей оси 1 источник 2 квази- или монохроматического света, бипризму 3 Френеля (далее - бипризма), первую щелевую диафрагму 4, камеру 5 для исследуемого образца, вторую щелевую диафрагму 6 и фотоприемник 7. Выход фотоприемника 7 соединен с входом блока 8 вычисления. В качестве источника 2 квази- или монохроматического света могут использоваться светодиоды или лазеры, предпочтительно полупроводниковые. Вместо бипризмы 3, в принципе, могут быть использованы и другие расщепители света с делением волнового фронта (например, бизеркала Френеля или призменно-зеркальные расщепители). Однако, с точки зрения обеспечения минимальных габаритов, бипризма 3 имеет безусловное преимущество. Камера 5 для исследуемого образца изготовлена из оптически прозрачного материала, предпочтительно стекла, и выполнена разборной, что существенно облегчает процесс подготовки камеры 5 к очередным измерениям (мойку, обезжиривание, протирку и т.п.). Глубина полости 51 камеры 5 должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы частицы (сперматозоиды) перемещались без соприкосновения с верхней и нижней стенками камеры 5. С другой стороны, глубина полости 51 должна быть небольшой, чтобы частицы не перемещались в направлении, перпендикулярном верхней и нижней стенкам камеры 5. При исследовании характеристик сперматозоидов рекомендуемая глубина полости 51 камеры 5 для исследуемого образца составляет 200 мкм.
1
Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света направлен соосно оси 1 на грань 10 бипризмы 3, которая перпендикулярна оси 1 и расположена напротив пересекающей под прямым углом ось 1 ребра 11 тупого угла бипризмы 3. Преломленные бипризмой 3 пучки 12 и 13 света частично (фиг.1) или полностью (фиг.2) перекрываются между собой с образованием симметричной относительно оси 1 области 14 перекрытия. Щелевая диафрагма 4 расположена в области 14 перекрытия преломленных бипризмой 3 пучков 12 и 13 и перпендикулярно оси 1. Щель 41 диафрагмы 4 расположена симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, при этом боковые края щели 41 параллельны ребру 11 бипризмы 3, а ширина щели 41 равна h.
Камера 5 для исследуемого образца расположена параллельно диафрагме 4 и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в ее измерительном объеме 15 интерференционного поля посредством двух дополнительных пучков 16 и 17 света, выделенных диафрагмой 4 из преломленных бипризмой 3 пучков света 12 и 13.
Диафрагма 6 расположена в плоскости, параллельной плоскости размещения диафрагмы 4 на расстоянии L от нее, удовлетворяющей соотношению:
1
L=(1,0-1,2)hctg(Θ/2);
2
и
2
1
и
где: Θ - угол пересечения дополнительных пучков света 16 и 17. Щель 61 диафрагмы 6, также как и щель 41 диафрагмы 4, расположена симметрично плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3. При этом боковые края щели 61 параллельны ребру 11 бипризмы 3, а ширина щели 61 равна h, удовлетворяющей неравенству: h≤h≤h, где h - размер измерительного объема 15 в направлении, соответствующем направлению измеряемой скорости.
1
2
В качестве фотоприемника 7 могут быть использованы полупроводниковые фоторезисторы или фотодиоды. Блок 8 вычисления может быть аналоговым или цифровым, обеспечивающим дополнительно (по сравнению с вычислителем, используемом в прототипе) вычисление отношения квадрата средней интенсивности падающего на фотоприемник 7 света к дисперсии упомянутой выше интенсивности. На фиг.3 используются также следующие обозначения: |U|, |U| - модули амплитуд в сечении А-А фиг.2 преломленных пучков 12 и 13 света, соответственно; х - расстояние от общей оси 1 в плоскости чертежа.
Устройство работает следующим образом.
1
2
2
Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света направляется соосно оси 1 на грань 10 бипризмы 3. За счет преломления в бипризме 3 гауссовый пучок 9 делится пополам на два расходящихся пучка 12 и 13 (иными словами, на две половины гауссового пучка 9), которые либо частично (фиг.1), либо полностью (фиг.2) перекрываются между собой с образованием симметричной относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3 области 14 перекрытия. Причем в любой плоскости, перпендикулярной оси 1 и пересекающей область 14 перекрытия преломленных пучков 12 и 13, наблюдаются интерференционные полосы. Однако в отличие от известного из уровня техники случая перекрытия преломленных бипризмой Френеля пучков с равномерным распределением амплитуды по их поперечным сечениям (см., например, М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики. - М.: Изд. «Наука», 1970, с.295), видимость полос интерференционного поля, образующегося после бипризмы 3 Френеля в результате перекрытия двух половин гауссова пучка 9, монотонно уменьшается при увеличении расстояния х от оси 1. Дело в том, что распределение модуля амплитуды |U| (или интенсивности I=|U|) в поперечном сечении одного преломленного бипризмой 3 пучка света, например, обозначенного позицией 12, зеркально симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, распределению модуля амплитуды |U| другого преломленного пучка 13 света (фиг.3). Таким образом, с увеличением расстояния от упомянутой выше плоскости увеличивается разность между амплитудами интерферирующих волн, а следовательно, уменьшается видимость интерференционных полос. Это приводит к возникновению паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала, следствием которой является увеличение флуктуации фототока.
1
0
1
Согласно же патентуемому изобретению нтерференционное поле в измерительном объеме 15 формируется с помощью двух дополнительных пучков 16 и 17 света, выделяемых с помощью диафрагмы 4. Дополнительный пучок 16 выделяется из пучка 12, а дополнительный пучок 17 - из пучка 13. Поскольку размещенная в области 14 перекрытия пучков 12 и 13 диафрагма 4 расположена в плоскости, перпендикулярной оси 1, а ее щель 41 шириной h - симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы 3, поэтому дополнительные пучки 16 и 17 света имеют одинаковую ширину b=hcos(Θ/2), где Θ - угол пересечения дополнительных пучков 16 и 17, биссектриса которого совпадает с осью 1. Кроме того, интенсивность дополнительных пучков 16 и 17, а также угол Θ между ними зависят от расстояния между бипризмой 3 и диафрагмой 4. С увеличением этого расстояния интенсивность пучков 16 и 17 и угол Θ между ними уменьшаются.
Таким образом, соответствующим выбором расстояния между бипризмой 3 и диафрагмой 4 можно обеспечить:
а) приемлемую в каждом конкретном случае неравномерность распределения амплитуды в поперечном сечении дополнительных пучков 16 и 17 (а, следовательно, допустимую паразитную амплитудную модуляцию полезного сигнала);
б) необходимую для получения требуемой видимости интерференционных полос интенсивность дополнительных пучков 16 и 17;
в) величину угла Θ между дополнительными пучками 16 и 17, необходимую для согласования периода интерференционных полос не только с размерами исследуемых частиц, но и с размером ни измерительного объема 15 камеры 5 в направлении, соответствующем направлению измеряемой скорости.
1
и
и
и
1
1
-1
Ширина h щели 41 определяет максимальный размер h. С увеличением расстояния d между диафрагмой 4 и измерительным объемом 15 (иными словами, расстоянием между диафрагмой 4 и ближайшей к ней поверхностью стенки полости 51 камеры 5 для исследуемого образца) величина h уменьшается в соответствии с зависимостью h=h{1-2d[hctg(Θ/2)]}.
и
1
и
1
и
В предпочтительном случае осуществления изобретения значение d равно толщине прозрачной стенки камеры 5, которая расположена вплотную к диафрагме 4. В большинстве практически важных случаев h лежит в интервале h>h≥0,7h, так как при меньших h неоправданно увеличиваются осевые размеры.
Таким образом, расположенная в полости 51 камеры 5 часть области пересечения пучков 16 и 17 образует измерительный объем 15, полосы интерференционного поля в котором параллельны боковым краям щели 41 диафрагмы 4. Если в измерительный объем 15 попадает рассеивающая свет частица, движущаяся в поперечном направлении относительно полос интерференционного поля, то за счет пересечения частицей интерференционных полос рассеянный ею свет будет промодулирован по интенсивности с частотой, которая обратно пропорциональна времени, затрачиваемого частицей на прохождение пространственного периода интерференционного поля в измерительном объеме. В случае, когда измерительный объем 15 пересекают одновременно много частиц, то частотный спектр суммарной интенсивности рассеянного этими частицами света адекватен распределению этих частиц по скоростям.
1
2
и
2
1
Следствием использования диафрагмы 4 для выделения двух дополнительных пучков 16 и 17 света с резкими границами является возможность с помощью только одной диафрагмы 6, размещенной на расстоянии L от нее, определяемом соотношением L=(1,0-1,2)hctg(Θ/2), одновременно собрать рассеянный свет от измерительного объема 15 и предотвратить попадание на фотоприемник 7 как паразитной засветки (света, прошедшего через объем 15 без рассеяния), так и света, рассеянного в областях камеры 5 для исследуемого образца, находящихся вне измерительного объема 15. При этом щель 61 диафрагмы 6 расположена так же, как и щель 41 диафрагмы 4 симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 бипризмы, и имеет ширину h, удовлетворяющую неравенству h≤h≤h.
и
1
1
1
Если ширина щели 61 меньше h, то имеет место подавление полезного сигнала (уменьшается количество рассеянного частицами в прямом направлении света, собираемого диафрагмой 6). Если же ширина щели 61 больше h, то на фотоприемник попадает свет, рассеянный частицами, которые находятся вне измерительного объема 15. Что касается расстояния между диафрагмами 4 и 6, то при L<hctg(Θ/2) возможна паразитная засветка фотоприемника 7, а при L>1,2hctg(Θ/2) - неоправданно увеличивается осевой размер оптической части устройства.
Собранный диафрагмой 6 свет с помощью фотоприемника 7 преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход блока 8. В качестве блока 8 может быть использован процессорный (системный) блок компьютера. В блоке 8 осуществляется спектральный анализ мощности фототока, что позволяет определить как распределение частиц по скоростям, так и количество частиц, движущихся в соответствующем диапазоне скоростей. Кроме того, в блоке 8 определяются средняя интенсивность падающего на фотоприемник 7 света, рассеянного от измерительного объема 15, дисперсия упомянутой выше интенсивности, и вычисляется отношение квадрата первой величины ко второй. Это позволяет определить количество частиц в измерительном объеме. Устройство позволяет, в результате предварительной тарировки, определить концентрацию (в млн/мл), среднюю скорость (в мкм/сек) и подвижность частиц, например, сперматозоидов, в задаваемых диапазонах их скоростей (например, превышающих 2 мкм/сек или 25 мкм/сек, в % от общего их числа) в рамках показателей, рекомендованных ВОЗ.
Испытания патентуемого устройства показали, что оно характеризуется более высоким отношением сигнал/шум (40-48 дБ) по сравнению с прототипом (25-28 дБ). Это обеспечивается за счет формирования измерительного объема оптимального размера (исходя из размеров частиц, длины их свободного пробега, времени измерения и т.д.) в направлении, совпадающем с направлением вектора измеряемой скорости частиц. Кроме этого, реализуется эффективный прием информативного оптического сигнала, рассеянного частицами в прямом направлении, при одновременном экранировании фотоприемника как от паразитной засветки, так и от света, рассеянного от элементов камеры, расположенных вне измерительного объема. Вместе с тем, произведенная замена одного оптического элемента - пространственного модулятора света (в прототипе) на другой также известный - бипризму Френеля, а также введение двух щелевых диафрагм практически не привели к увеличению осевых габаритов оптической системы.
Промышленная применимость патентуемого устройства подтверждается также возможностью реализации его с использованием широко известных оптических элементов, а также цифровых или аналоговых средств обработки сигналов.