Pobierz dokument

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
PL
(21) Numer zgłoszenia: 341320
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
192856
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.8
G01N 11/16
G01N 33/487
(22) Data zgłoszenia: 06.07.2000
Sposób badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych
oraz reometr oscylacyjny do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych
(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
Politechnika Łódzka,Łódź,PL
Centrum Biologii Medycznej Polskiej
Akademii Nauk,Łódź,PL
Skulimowska Halina,Łódź,PL
14.01.2002 BUP 02/02
(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
29.12.2006 WUP 12/06
Zbigniew Wiśniakowski,Łódź,PL
Wiesław Kaca,Łódź,PL
Halina Skulimowska,Łódź,PL
(74) Pełnomocnik:
Bałczewski Zbigniew W., Ośrodek
Wynalazczości Politechniki Łódzkiej
PL 192856 B1
(57)
2. Reometr oscylacyjny do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych, zawierający dwie płaskie, koliste
płyty usytuowane poziomo, jedna nad drugą, z których górna
płyta, pasywna, jest zamocowana obrotowo do statywu, zaś
dolna, wymuszająca płyta jest osadzona na pionowej osi sprzężonej z układem napędowym zamocowanym do statywu,
wyposażony nadto w układ do przesuwu pionowego płyt, znamienny tym, że górna płyta (1) jest przymocowana do dolnego
ramienia ramki (9) osadzonej nieruchomo na pionowej obrotowej osi (3) ułożyskowanej w uchwycie (4) przymocowanym
przesuwnie do statywu (6), przy czym górna płyta (1) jest
przymocowana do ramki (9) w sposób umożliwiający zmianę jej
położenia kątowego wokół pionowej osi obrotu (1), na której
jest osadzona także sprężyna (8), której wewnętrzny koniec jest
przymocowany do osi obrotu (3), zaś zewnętrzny - do uchwytu (7) przymocowanego do uchwytu (4) osi (3), dolna, wymuszająca płyta (2) jest wyposażona w umieszczone pod nią
grzejnik i sondę do pomiaru temperatury, nadto reometr jest
wyposażony w dwuwiązkowe źródło (14) światła laserowego,
w torach wiązek którego są usytuowane ekrany rozpraszające,
górny (10) przymocowany do dolnego ramienia ramki (9) oraz
dolny (13) przymocowany do osi napędowej (11) dolnej wymuszającej płyty (2), pod tą płytą oraz w dwa detektory fotoelektryczne (15), jeden na drodze wiązki światła rozpraszanego na
górnym ekranie (10) i drugi na drodze wiązki światła rozpraszanego na dolnym ekranie (13), wyposażone w przyłącza do
interfejsu pomiarowego komputera.
2
PL 192 856 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych
oraz reometr oscylacyjny do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych.
Do badań właściwości reologicznych cieczy stosuje się dotychczas reometry oscylacyjne wyposażone w dwie płaskie płyty usytuowane poziomo, jedna nad drugą, z których górna płyta, pasywna,
jest zawieszona na drążku (nici) skrętnym i złączona z urządzeniami do pomiaru parametrów ruchu
drgającego, zaś dolna, wymuszająca, jest złączona z urządzeniem nadającym jej ruch obrotowy lub
kątowe oscylacje harmoniczne wokół pionowej osi symetrii.
Znany sposób badania parametrów reologicznych płynów polega na tym, że wyznacza się parametry płyty górnej, czyli pasywnej reometru i jej drążka skrętnego, takie jak moment bezwładności
i pulsacja drgań swobodnych i po umieszczeniu badanej cieczy w szczelinie pomiarowej między płytami reometru wyznacza się stosunek amplitud i przesunięcie fazowe ruchu płyty pasywnej względem
ruchu płyty dolnej czyli wymuszającej i w oparciu o te parametry, na podstawie ogólnie znanych zależności, dokonuje się obliczenia lepkości dynamicznej i modułu zachowawczego płynu.
Znane reometry są kłopotliwe w użyciu w przypadku, gdy badaniu poddaje się niewielkie ilości
cieczy, zwłaszcza o małej lepkości i dużej gęstości, na przykład cieczy biologicznych, których próbki
przeznaczone do badania mają objętość mniejszą od 1 cm, zaś wysokość szczeliny pomiarowej między płytami reometru jest rzędu ułamka mm. W tym przypadku powstaje problem doboru takiego momentu bezwładności (masa, rozmiary płyt) płyty pasywnej i jej drążka skrętnego oraz sprężystości
(grubości) drążka skrętnego, aby przy zachowaniu wystarczającej czułości przyrządu wykluczyć wyboczenia wiotkiej nici (drążka) i efekty ślizgania się płyty pasywnej po powierzchni cieczy. Znane sposoby badania właściwości reologicznych płynów biologicznych ograniczają się tylko do określenia
wartości tych parametrów w stanach ustalonych. Nie znajdują natomiast zastosowania do obserwacji
zależności tych parametrów od czasu w procesach biologicznych o właściwościach dynamicznych, na
przykład w procesie rekalcynacji osocza krwi.
Do wyznaczania czasu wykrzepiania cieczy biologicznych, zwłaszcza preparatów krwiopochodnych, stosuje się dotychczas koagulometry. Znajdują one zastosowanie jedynie do wyznaczania tego
parametru krzepnięcia.
Sposób badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych, według wynalazku, polega na
tym, że odpowiednio przygotowaną próbkę badanej cieczy umieszcza się między dwoma płaskimi
płytami, po czym dolną płytę wychyla się z położenia równowagi w celu wytworzenia w cieczy dynamicznego naprężenia stycznego sinusoidalnie zmiennego, przy pomocy którego wymusza się reakcyjny moment skrętny górnej płyty i rejestruje zmiany położenia kątowego obydwu płyt metodą
optyczną w czasie rzeczywistym, po czym sygnał optyczny tych zmian zamienia się na sygnał elektryczny, a następnie na sygnał cyfrowy, który rejestruje się w postaci wspólnego dla obydwu płyt wykresu zależności wychylenia kątowego od czasu, na podstawie zarejestrowanych danych wyznacza
się stosunki amplitud i opóźnienia fazowe ruchu płyty górnej względem ruchu płyty dolnej dla kolejnych wychyleń płyt, na podstawie których, w oparciu o ogólnie znane zależności, wyznacza się lepkość dynamiczną i moduł zachowawczy badanej cieczy w funkcji czasu.
Reometr oscylacyjny do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych, według wynalazku, zawiera dwie płaskie płyty usytuowane poziomo, jedna nad drugą, z których górna płyta, pasywna, jest przymocowana do dolnego ramienia ramki osadzonej na pionowej osi obrotu ułożyskowanej w uchwycie przymocowanym przesuwnie do statywu. Płyta górna jest przymocowana do ramienia
ramki w sposób umożliwiający zmianę jej położenia kątowego wokół pionowej osi obrotu. Na osi obrotu jest osadzona także sprężyna, której wewnętrzny koniec jest przymocowany do tej osi, zaś zewnętrzny - do uchwytu sprężyny przymocowanego do uchwytu tej osi. Dolna, wymuszająca płyta, wyposażona w umieszczone pod nią grzejnik i sondę do pomiaru temperatury, jest osadzona na pionowej osi napędowej złączonej z układem napędowym przymocowanym do statywu pod tą płytą. Reometr jest nadto wyposażony w dwuwiązkowe źródło światła laserowego, w torach wiązek którego są
usytuowane ekrany rozpraszające, górny przymocowany do dolnego ramienia ramki złączonej z górną
płytą pasywną i dolny przymocowany do osi napędowej dolnej płyty wymuszającej, pod tą płytą oraz
w dwa detektory fotoelektryczne, usytuowane jeden na drodze wiązki światła rozpraszanego na ekranie górnym i drugi na drodze wiązki światła rozpraszanego na ekranie dolnym, wyposażone w przyłącza do interfejsu pomiarowego komputera.
PL 192 856 B1
3
Sposób i reometr według wynalazku umożliwiają szybki i łatwy pomiar parametrów reologicznych dowolnej objętości cieczy, jak również obserwację zmian dynamicznych tychże parametrów
w czasie. W związku z tym znajdują zastosowanie do śledzenia dynamiki zmian procesu wykrzepiania, na przykład osocza, po podaniu leku wpływającego na krzepliwość krwi, do obserwacji przebiegu
pewnych schorzeń, na przykład niektórych postaci chorób nowotworowych układu chłonnego, przewlekłych zespołów mieloproliferacyjnych, zespołu rozsianego wykrzepiania naczyniowego, w drodze
śledzenia zmian dynamicznych parametrów reologicznych krwi pełnej, osocza lub surowicy.
Sposób według wynalazku został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek przedstawiający przykład wykonania reometru oscylacyjnego do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych,
na którym fig. 1a przedstawia wykres położeń kątowych płyty wymuszającej i pyty pasywnej w funkcji
czasu przy badaniu procesu wykrzepiania osocza u człowieka zdrowego, fig. 1b - obliczone na podstawie tych pomiarów wartości lepkości dynamicznej, fig. 1c - obliczone na podstawie tych pomiarów
wartości modułu zachowawczego osocza (oś czasu wyskalowano w okresach oscylacji wymuszających T = 0,488 s; pionowa przerywana linia określa czas powstania skrzepu), fig. 2a, fig. 2b i fig. 2c - parametry analogiczne jak fig. 1a, fig. 1b i fig. 1c sporządzone dla osocza człowieka z zaburzeniami
procesu wykrzepiania, zaś fig. 3 - reometr w widoku perspektywicznym.
Do próbki osocza krwi człowieka zdrowego, o objętości ok. 0,5 cm3, dodano odczynniki stymulujące wykrzepianie, rozcieńczone w stosunku 1:100 w porównaniu do stężeń standardowych. Po upływie 37 s od dodania tych odczynników, utrzymując temperaturę pomiaru równą 310 ± 0,2 K, przygotowaną próbkę umieszczono między dwoma płaskimi płytami 1 i 2 oddalonymi od siebie o 0,5 mm, po
czym dolną, wymuszająca płytę 2 wprawiono w ruch oscylacyjny, co spowodowało wymuszenie reakcyjnego momentu skrętnego górnej, pasywnej płyty 1. Przy pomocy dwuwiązkowego źródła światła
Iaserowego 14, ekranów 10 i 13 oraz fotoelektrycznych detektorów 15 rejestrowano zmiany położenia
kątowego obydwu płyt 1 i 2 w funkcji czasu, po czym sygnały optyczne tych zmian, zamienione
w detektorach 15 na sygnał elektryczny, a następnie w interfejsie komputera na sygnał cyfrowy, przesyłane były do komputera wyposażonego w program, który umożliwiał rejestrowanie na wspólnym
wykresie zależności wychylenia kątowego obydwu płyt w funkcji czasu oraz wyznaczenie, na podstawie zapamiętanych danych, stosunku amplitud i opóźnienia fazowego ruchu płyty górnej 1 względem
ruchu płyty dolnej 2, a następnie lepkości dynamicznej i modułu zachowawczego (sztywności) osocza.
Wyliczony czas protrombinowy, po uwzględnieniu czasu od momentu dodania odczynników stymulujących do rozpoczęcia pomiarów, był równy 40,9 s.
W analogiczny sposób obliczono lepkość dynamiczną i moduł sztywności osocza człowieka
z zaburzeniami krzepliwości, przy czym pomiar rozpoczęto po upływie 40 s od dodania odczynników
stymulujących wykrzepianie, rozcieńczonych w stosunku 1:150 w porównaniu do stężeń standardowych.
Reometr oscylacyjny zawiera dwie płaskie płyty 1 i 2 usytuowane poziomo, jedna nad drugą,
z których górna płyta 1, pasywna, jest przymocowana do dolnego ramienia ramki 9 osadzonej na pionowej osi obrotu 3 ułożyskowanej w uchwycie 4 przymocowanym, za pośrednictwem kalibrowanego
urządzenia 5 przesuwu pionowego, do statywu 6. Na osi obrotu 3 jest osadzona także sprężyna 8,
której wewnętrzny koniec jest przymocowany do tej osi, zaś zewnętrzny - do uchwytu 7 przymocowanego do uchwytu 4 osi 3. Dolna, wymuszająca płyta 2, wyposażona w umieszczone pod nią grzałkę
i sondę do pomiaru temperatury nie pokazane na rysunku, jest osadzona na pionowej napędowej
osi 11 sprzężonej z układem napędowym 12 przymocowanym do statywu 6 pod tą płytą. Nadto reometr jest wyposażony w dwuwiązkowe źródło 14 światła laserowego, w torach wiązek którego są
usytuowane ekrany rozpraszające, górny 10 przymocowany do dolnego ramienia ramki 9 i dolny 13
przymocowany do osi napędowej 11, pod płytą 2 oraz w dwa fotoelektryczne detektory 15, jeden na
drodze wiązki światła rozpraszanego na górnym ekranie 10 i drugi na drodze wiązki światła rozpraszanego na dolnym ekranie 13. Detektory 15 są złączone poprzez interfejs pomiarowy nie pokazany
na rysunku, z komputerem także nie pokazanym na rysunku, wyposażonym w program do rejestrowania wyników pomiarów.
Po ustawieniu, za pomocą urządzenia 5, właściwej wysokości szczeliny między płytami 1 i 2,
umieszcza się w tej szczelinie badaną ciecz, po czym włącza się źródło 14 światła laserowego i następnie napęd 12 wymuszającej płyty 2, który wprawia tę płytę w ruch oscylacyjny. Przemieszczenie,
wraz z płytą 1, badanej cieczy powoduje wytworzenie w niej dynamicznego momentu skrętnego, który
za pośrednictwem ramki 9 jest przenoszony na pasywną płytę 1 powodując także wychylenie jej z położenia równowagi. Za pomocą fotodetektorów 15 rejestruje się światło laserowe rozproszone na
ekranach 10 i 13, przy czym światło to jest miarą zmian położeń kątowych obydwu płyt 1 i 2. Sygnały
4
PL 192 856 B1
optyczne, zamienione w fotodetektorach 15 na sygnały elektryczne, po wzmocnieniu w dwukanałowym wzmacniaczu, są zamieniane na sygnał cyfrowy w interfejsie komputera, z którego są przesyłane
do komputera. Program komputera umożliwia rejestrowanie na wspólnym wykresie zależności wychyleń kątowych obydwu płyt 1 i 2 w funkcji czasu oraz wyznaczenie, na podstawie zapamiętanych danych, stosunku amplitud i opóźnienia fazowego ruchu płyty górnej 1 względem ruchu płyty dolnej 2,
a następnie lepkości dynamicznej i modułu zachowawczego badanej cieczy. Częstość kołową drgań
własnych pasywnej płyty 2 reguluje się poprzez zmianę punktu mocowania sprężyny 8 w uchwycie 7.
Położenie równowagi płyty 2 reguluje się poprzez obrót uchwytu 7 sprężyny 8 względem osi 3 płyty 2.
Zmiany momentu bezwładności płyty 2 dokonuje się przez zmianę materiału, z którego jest wykonana
bądź przez nakładanie na nią obciążników.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych, polegający na umieszczeniu odpowiednio przygotowanej próbki badanej cieczy między dwoma płaskimi płytami, następnie
wychyleniu dolnej płyty z położenia równowagi w celu wytworzenia w cieczy dynamicznego naprężenia stycznego sinusoidalnie zmiennego, przy pomocy którego wymusza się reakcyjny moment skrętny
górnej płyty, wyznaczeniu stosunku amplitud i opóźnienia fazowego ruchu płyty górnej względem ruchu płyty dolnej i oszacowaniu, w oparciu o te parametry parametrów reologicznych badanej cieczy,
znamienny tym, że rejestruje się zmiany położenia kątowego obydwu płyt metodą optyczną w czasie
rzeczywistym, po czym sygnał optyczny tych zmian zamienia się na sygnał elektryczny, a następnie
na sygnał cyfrowy, który rejestruje się w postaci wspólnego dla obydwu płyt wykresu zależności wychylenia kątowego od czasu, na podstawie zarejestrowanych danych wyznacza się stosunki amplitud
i opóźnienia fazowe ruchu płyty górnej względem ruchu płyty dolnej dla kolejnych wychyleń płyt, na
podstawie których, w oparciu o ogólnie znane zależności, wyznacza się lepkość dynamiczną i moduł
zachowawczy badanej cieczy w funkcji czasu.
2. Reometr oscylacyjny do badania właściwości reologicznych cieczy biologicznych, zawierający dwie płaskie, koliste płyty usytuowane poziomo, jedna nad drugą, z których górna płyta, pasywna,
jest zamocowana obrotowo do statywu, zaś dolna, wymuszająca płyta jest osadzona na pionowej osi
sprzężonej z układem napędowym zamocowanym do statywu, wyposażony nadto w układ do przesuwu pionowego płyt, znamienny tym, że górna płyta (1) jest przymocowana do dolnego ramienia ramki (9) osadzonej nieruchomo na pionowej obrotowej osi (3) ułożyskowanej w uchwycie (4) przymocowanym przesuwnie do statywu (6), przy czym górna płyta (1) jest przymocowana do ramki (9) w sposób umożliwiający zmianę jej położenia kątowego wokół pionowej osi obrotu (1), na której jest osadzona także sprężyna (8), której wewnętrzny koniec jest przymocowany do osi obrotu (3), zaś zewnętrzny - do uchwytu (7) przymocowanego do uchwytu (4) osi (3), dolna, wymuszająca płyta (2) jest
wyposażona w umieszczone pod nią grzejnik i sondę do pomiaru temperatury, nadto reometr jest wyposażony w dwuwiązkowe źródło (14) światła laserowego, w torach wiązek którego są usytuowane
ekrany rozpraszające, górny (10) przymocowany do dolnego ramienia ramki (9) oraz dolny (13) przymocowany do osi napędowej (11) dolnej wymuszającej płyty (2), pod tą płytą oraz w dwa detektory
fotoelektryczne (15), jeden na drodze wiązki światła rozpraszanego na górnym ekranie (10) i drugi na
drodze wiązki światła rozpraszanego na dolnym ekranie (13), wyposażone w przyłącza do interfejsu
pomiarowego komputera.
PL 192 856 B1
Rysunki
5
6
PL 192 856 B1
PL 192 856 B1
7
8
PL 192 856 B1
PL 192 856 B1
9
10
PL 192 856 B1
PL 192 856 B1
11
12
PL 192 856 B1
Departament Wydawnictw UP RP
Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.