У цій статті описується конструкція модернізованого дослідного приладу на базі кріоскопічні термоелектричного мілліосмометра. Даний прилад дозволяє здійснювати динамічний / кінетичний моніторинг при реєстрації депресії точки кристалізації. Реалізація даної модернізації доступна для будь-яких медичних дослідницьких і клінічних лабораторій, які мають технічно грамотним інженерним персоналом. Конфігурація і ресурсомісткість модернізації є гнучкими і залежать від цілей передбачуваних біомедичних досліджень. Створюваний при цьому інструмент може розглядатися як доступна альтернатива дорогим іноземним осмометрі, описуваних у введенні цієї статті.

Анотація наукової статті за медичними технологіями, автор наукової роботи - Градів О. В.


Laser Freezing Point Depression Osmometer for Medical Biochemical and Biophysical Measurements Monitoring

This paper describes a design of a new instrument based on a freezing point depression osmometer, which is capable of supporting dynamic monitoring and automatic recording of physico-chemical dynamics / kinetics in osmometry & cryoscopy. The implementation of this upgrade is available for medical and clinical laboratories with regular engineering staff. The configuration and cost of the instrument are flexible and depend on the customer's objectives and the aims of the biomedical research. The proposed instrument is an alternative to costly foreign osmometers (nanoliter osmometers), described in the introduction.


Область наук:

  • Медичні технології

  • Рік видавництва: 2013


    Журнал: Вісник нових медичних технологій


    Наукова стаття на тему 'Лазерна кріоскопічна відеомілліос-мометрія для цілей медико-біохімічних і медико-біофізичних вимірювань'

    Текст наукової роботи на тему «Лазерна кріоскопічна відеомілліос-мометрія для цілей медико-біохімічних і медико-біофізичних вимірювань»

    ?розділ III

    МЕДИЧНА біофізики та РОЗРОБКА ЛІКУВАЛЬНО-діагностичної АПАРАТУРИ

    УДК 612.014.462.2

    Лазерна кріоскопічні ВІДЕОМІЛЛІОСМОМЕТРІЯ ДЛЯ ЦІЛЕЙ МЕДИКО-біохімічних І МЕДІКОБІОФІЗІЧЕСКІХ ИЗМЕРЕНИЙ

    О.В. град

    Інститут Хімічної Фізики РАН, м.Москва Група з біологічних наук ( "наук про життя")

    при Товаристві індустріальної та прикладної математики, США; Група з наукової обробці і візуалізації зображень при

    Суспільстві індустріальної та прикладної математики, США

    Аннотмація: в цій статті описується конструкція модернізованого дослідного приладу на базі кріоскопіче-ського термоелектричного мілліосмометра. Даний прилад дозволяє здійснювати динамічний / кінетичний моніторинг при реєстрації депресії точки кристалізації. Реалізація даної модернізації доступна для будь-яких медичних дослідницьких і клінічних лабораторій, які мають технічно грамотним інженерним персоналом. Конфігурація і ресурсомісткість модернізації є гнучкими і залежать від цілей передбачуваних біомедичних досліджень. Створюваний при цьому інструмент може розглядатися як доступна альтернатива дорогим іноземним осмометрі, описуваних у введенні цієї статті.

    Ключові слова: осмометр-кріоскопія, нанолітровий осмометр, лазерна спеклографія.

    LASER FREEZING POINT DEPRESSION OSMOMETER FOR MEDICAL BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL MEASUREMENTS &

    MONITORING

    O. V.GRADOV

    Institute of Chemical Physics RAS, Moscow SIAM Activity Group on Life Sciences SIAM Activity Group of Imaging

    Abstract: This paper describes a design of a new instrument based on a freezing point depression osmometer, which is capable of supporting dynamic monitoring and automatic recording of physico-chemical dynamics / kinetics in osmometry & cryoscopy. The implementation of this upgrade is available for medical and clinical laboratories with regular engineering staff. The configuration and cost of the instrument are flexible and depend on the customer's objectives and the aims of the biomedical research. The proposed instrument is an alternative to costly foreign osmometers (nanoliter osmometers), described in the introduction.

    Key words: freezing point depression osmometers, nanoliter osmometer, Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI).

    Сучасна кріоскопічна осмометрі, що базується на вимірюванні депресії температури кристалізації розчинів і біологічних рідин в мілліосмометрах, що дозволяють визначати точку замерзання (в ЄС і США подібні прилади називаються "freezing point depression osmometers"), являє собою високоточний адитивний метод вимірювання концентрації осмотично активних речовин в мікрооб'ємах. Методи кріоскопіче-ської осмометрії широко використовуються в медицині, медичної біохімії і біофізики, а також у відповідних областях ветеринарії. Так, їх використовують для: дослідження кислотно-

    основного і водно-електролітного балансу і оперативного біохімічного моніторингу в медицині критичних станів в інтенсивної терапії і при реанімації, в анестезіологічних вимірах, в очній фармакохімії і клінічної офтальмології, в екологічній фізіології, діагностики безпліддя, імунології, надмолекулярної біомеханіки, спортивної медицини та допінг-контролі , біомедичної інженерії при отриманні структур з програмованими (заданими) властивостями, клітинної сепарації в лабораторному клінічному аналізі та інших лабораторноклініческіх додатках, а також є вагомим діагностичним методом в радіології, нейротоксікологіі і молекулярної кардіології тварин і людини [1-14].

    Квінтесенцією цього підходу є технологія нано-літрової осмометрії, при якій вимірювання проводяться в надзвичайно малих обсягах рідини і можуть бути проведені під мікроскопом (рис. 1). Широко розповсюдженими, але застаріваючими на даний момент приладами є Clifton Nanoliter Osmometer і подібні до нього прилади з кріостатіруемимі виносними камерами, що дає можливість називати їх не просто нанолітровимі осмометрі, а біологічними криостате

    - наноосмометрамі, як це зроблено на корпусі приладу, конст-

    руктівних тотожного "Clifton Nanoliter Osmometer" на рис. 2. Конструктивно їх камери являють собою криогенні мікрореактори або збільшені аналоги мікрофлюідних лабораторій на чипі. Недолік цих приладів полягає в тому, що без мікроскопа спостереження процесів, що відбуваються в препараті на них неможливо. Це суперечить кінетичного дослідження багатьох біохімічних і кріобіофізіческіх процесів при осмометрії-кріоскопії in vitro.

    Мал. 1. Clifton Nanoliter Osmometer під об'єктивом бінокулярного мікроскопа (Environmental Institute of Houston)

    Мал. 2. Біологічний кріостат / нанолітровий осмометр. Нагорі - охолоджуюча камера для мікроскопа

    За кордоном рішення даної проблеми було знайдено з використанням приладів із зарядним зв'язком, що виводять зображення на відеомонітор, фірмою "Otago Osmometers" (рис. 3). Дана установка дозволяє візуалізувати процеси, що відбуваються в зразку і мікроструктури морфології біологічних рідин, однак вона являє собою завершений прилад, що не придатний для компактного вбудовування в предметні столи на мікроскопах. Більш того, відсутні реальні механізми сполучення осмометріческіх і оптичних вимірювань на таких апаратах при використанні конфокальної лазерної скануючої мікроскопії або лазерної доплерівської велосімет-рії. Для подолання цього потрібно конструктивна переробка камери і створення програмно-апаратного комплексу (на базі нанолітрового кріостату), робота засобів вимірювальної техніки та механіки якого синхронізується за допомогою комп'ютера і спеціалізованих контролерів при запису даних вимірювань в пам'ять з аналого-цифрових перетворювачів.

    У Росії прилади такого класу не випускалися в принципі, причому як з відео, так і без видеоприставки, проте існував і зберігся на складах у багатьох інститутах РАН і РАМН такий високоточний прилад, як мілліосмометр МТ-2, що трансформується в вищеописаний тип приладів досить легко в силу конструктивних особливостей. Даний прилад складається з занурювальний вимірювальної головки, пристрої управління нею, що дозволяє точно позиціонувати її по висоті, малооб'ємним термостата, модуля перетворювача, мікропроцесорного контролера і цифрового індикатора. Як датчик температур кристалізації проби використовується напівпровідниковий термистор. Кристалізація індукується вібратором, вбудованим в керовану робочу головку разом з датчиком температури. Вимірювання депресії температури кристалізації МТ-2 виробляє по відношенню до чистого розчинника. Високий рівень автоматизації на стадіях обробки, пробоподачі і самодіагностики дозволяє порівнювати даний прилад із зарубіжними аналогами, що випускалися в одне з ним час (прилад проводився на НПП «Буревісник» до середини 1990-х гг.1), що дає можливість використовувати його як базу для побудови експериментальних установок високої якості. Мікропроцесор, що стоїть на борту вироби, дозволяє реалізовувати кілька режимів роботи приладу та візуалізації точних даних, отриманих при перетворенні напруги в частоту, що дозволяє однозначно зіставляти картину, візуалізіруемую на відеомоніторі (як на рис. 3) відомими значеннями результатів осмометрії.

    Конструкція установки і принципи роботи. Нами була проведена конструктивна доробка головки, яка полягала в тому, що в неї додатково до вищезазначеного наповненню була введена і зафіксована короткофокусна мікровідеокамер, розташована під кутом до погружной конструкції так, щоб зробити доступною візуалізацію наповнення криостате-руемого обсягу. Також в головку був введений малопотужний (з метою не впливати на охолодження) лазерний модуль, що переміщався по аплікат разом з камерою. Модуль живиться від стаб-

    1 Прилад був удостоєний золотої медалі Лейпцизького ярмарку і в кількості більше 300 штук використовувався в Міністерстві охорони здоров'я і лікувальних установах Міністерства оборони.

    лизировать щодо низьковольтного джерела живлення, підводка якого введена через щілину, що прорізає в задній стінці короба, що прикриває головку. З аналогічною щілини був виведений сигнальний кабель і кабель блоку живлення мікровідеокамери. Сигнал камери поданий на виносну плату відеозахвату, комутованого до комп'ютера. Встановлене на ньому програмне забезпечення, крім утиліт захоплення, дозволяє візуалізувати складні патерни, котрі реєструються камерою при взаємодії лазерного пучка з рідиною, кристаллизуемой в апараті. Факультативно до складу установки може бути введений також відеомонітор для спостереження, як це показано на рис 4. Позитивною стороною, з точки зору оптики, в цьому випадку буде додаткове збільшення маси установки, тобто її оптичної стабільності, що, втім, і так досягається масою мілліосмометра МТ-2, що становить приблизно 20 кг. Загальний вигляд установки показаний схематично на рис. 5. Введення в її склад аналогоцифрового перетворювача дозволяє зробити її повністю автоматизованої по відношенню до зніманню / реєстрації сигналу, проте ускладнює вид схеми, тому він тут не зображений.

    Мал. 3. Осмометр в відеовізуалізаціей - розробка фірми "Otago Osmometers"

    Мал. 4. Лазерний кріоскопічний відеомілліосмометр на базі МТ-2. Конструкція і виконання автора

    Дана схема дозволяє реалізувати динамічні вимірювання та моніторинг явищ кристалізації в часі. Проблемним моментом є поверхневий характер її візуалізації, пов'язаний з тим, що мінімальний обсяг вливається в стандартній формі термостата приладу складає 200 мкл, однак ця проблема вирішується шляхом розробки і виготовлення під замовлення в майстернях спеціалізованих лунок-кювет під конкретні завдання користувача. При цьому, однак, прилад буде вимагати позачергової калібрування відповідно до розповсюдженими стандартами, так як заявлені виробником норми

    (Межа допустимої систематичної складової основної зведеної похибки не більше ± 0,5% при межі допустимого середнього квадратичного відхилення випадкової складової основної зведеної похибки не більше 0,3%) не будуть виконуватися з достатньою точністю. Або доведеться використовувати багаторазові вимірювання з метою подальшого усереднення даних вибірки, що зробити також не становить труднощів, так як тривалість вимірювання (на збережених приладах) становить близько двох хвилин при порівняно невеликій споживаної потужності (до 200 Вт за рахунок установки елемента Пельтьє в якості охолоджувача).

    Мал. 5. Загальна схема установки для лазерної кріостатних міллівідеоосмометріі

    Теоретично можливо (це має сенс лише на дефектних або вичерпали термін експлуатації мілліосмометрах) розв'язати механіку опускання головки з вимірювальною системою, замінивши вихідну конструкцію застосуванням крокових двигунів з числовим програмним управлінням з комутацією на ЬРТ-порт керуючої робочої станції. В такому випадку можна уникнути повного занурення головки в лунку, допустивши тим самим використання довільних за розмірами резервуарів для аналізу. Втім, здатність досягнення необхідного результату залежить від їх конфігурації і підгонки під розміри елемента Пельтьє. При будь-яких змінах конструкції приладу, а не установки в цілому, слід спиратися на роботи автора лінійки приладів МТ, щоб не погіршити в ході змін доступне якість вимірювань. При роботі з біологічними об'єктами і середовищами в ході біомедичних досліджень по кріоскопії необхідно дотримуватися міжнародних стандартів-протоколів [15,16,17].

    Висновок. Таким чином, стає можливим створення на відомій високоякісної платформі приладу, здатного підтримувати динамічні спостереження і реєстрацію динаміки / кінетики фізико-хімічних процесів при кріоскопії в автоматичному режимі. Реалізація подібної модернізації доступна для медичних і лабораторних клінічних структур, що володіють штатним інженерним персоналом. Конфігурація і, отже, вартість даної модернізації є гнучкими і залежними від завдань замовника або цілей біомедичного дослідження. Конструктивно прилад являє собою альтернативу дорогим закордонним осмометрі, описаним у введенні.

    Автор висловлює подяку розробнику вітчизняних осмометрів лінійок МТ і ОСКР В.І. Кірсанова за телефонну консультацію з технічних питань під час роботи над

    установкою (в 2010 році), а також зарубіжним колегам, які дали можливість роботи із сучасною зарубіжною літературою в ході підготовки цієї статті.

    література

    1. DiBartola, S.P. Fluid, Electrolyte, and Acid-Base Disorders in Small Animal Practice / S.P. DiBartola - St. Louis: Elsevier Saunders, 2011. - 1520 p.

    2. Kurtz, I. Acid-Base Case Studies / I. Kurtz - Victoria: Traf-ford Publishing, 2004. - 158 p.

    3. Kirby, R.R. Handbook of Critical Care / R.R. Kirby, R.W. Taylor, J.M. Civetta - Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 1997-960 p.

    4. Magee, P. Fundamentals of Anaesthesia for the FRCA: Physics, Clinical Measurement and Equipment / P. Magee, M. Tooley -Oxford: Oxford University Press, 2011. - 404 p.

    5. Elliot, D.B. Clinical Procedures in Primary Eye Care / D.B. Elliot - Edinburg, London, New York, Oxford, Philadelphia, St. Louis, Sydney, Toronto: Butterworth-Heinemann, 2003. - 328 p.

    6. Bradshaw, D. Vertebrate Ecophysiology: An Introduction to its Principles and Applications / D. Bradshaw - Cambridge: Cambridge University Press, 2003. - 300 p.

    7. Keel, B.A. Handbook of the Laboratory Diagnosis and Treatment of Infertility / B.A. Keel, B.W. Webster - Boca Raton: CRC-Press, 1990. - 448 p.

    8. McCullough, K.C. Monoclonal Antibodies in Biotechnology: Theoretical and Practical Aspects / K.C. McCullough, R.E. Spier -Cambridge: Cambridge University Press, 2009. - 400 p.

    9. Fung, Y.C. Selected Works on Biomechanics and Aeroelas-ticity / Y.C. Fung - Singapore, London: World Scientific Pub., 1997. - 2008 p.

    10. Brouns, F.E. Essentials of Sport Nutrition / F.E. Brouns -Chichester: Wiley, 2002. - 242 p.

    11. Ritter, A.B. Biomedical Engineering Principles, Second Edition / A.B. Ritter, V. Hazelwood, A. Valdevit, A.N. Ascione -Boca Raton: CRC Press, 2011. - 540 p.

    12. Patel, D. Separating Cells: The Basics / D. Patel - Oxford: BIOS Scientific Publishers, 2000. - 184 p.

    13. Hubbard, J.D. A Concise Review of Clinical Laboratory Science / J.D. Hubbard - Baltimore: Lippincott Williams & Wilkins, 1997. - 545 p.

    14. Arneson, W. Clinical Chemistry: A Laboratory Perspective / W. Arneson, J. Brickell - Philadelphia: F.A. Davis Company, 2007.

    - 582 p.

    15. Кірсанов, В. І. Розробка та дослідження технічних засобів вимірювання концентрацій осмотично активних речовин в біологічних рідинах і водних розчинах: Автореф. дис. к. т. н. / В.І. Кірсанов - М., 1986. - 14 с.

    16. Кірсанов, В. І. Установка для визначення концентрації осмотично активних речовин в біологічних рідинах. / Кірсанов В.І., Монін Ю.Г., Соколова М.М. // Фізіологічний журнал СРСР. 1976. - T.XII, № 10. - С. 1546-1548.

    17. Cryopreservation and Freeze-Drying Protocols. - Humana Press, 2010. - 360 p.

    УДК 616.12 - 008.331.1 - 073.7

    МОЖЛИВОСТІ МЕТОДУ ГРВ-БІОЕЛЕКТРОГРАФІІ В ДІАГНОСТИЦІ АКТИВНОСТІ ПРАВОГО ПІВКУЛІ МОЗКУ У ХВОРИХ НА АРТЕРІАЛЬНУ ГІПЕРТОНІЄЮ

    І.Є. КОРОБКА *, Є.Г. ЯКОВЛЄВА *, К.Г. КОРОТКОВ **,

    С.С. Білоносі *, Т.В. Зарубін *

    * Російський національний дослідницький медичний університет ім. Н.І. Пирогова, вул. Островитянова д. 1, м Москва Санкт-Петербурзький державний університет інформаційних технологій механіки і оптики, пр. Кронверкський, д. 49, м Санкт-

    Петербург

    Анотація: обстежено 138 пацієнтів (32 практично здорових і 106 хворих на артеріальну гіпертонію) у віці від 20 до 70 років за допомогою методів газорозрядної візуалізації (ГРВ) і кардіоінтервалографії. Проведений аналіз даних виявив статистично значимо різняться параметри ГРВ у хворих на артеріальну гіпертонію і здорових випробовуваних, при цьому у хворих на артеріальну гіпертонію виявлено переважання кількості значимо різняться ГРВ-параметрів на лівій руці. Значення медіан отриманих


    Ключові слова: Осмометрі-кріоскопія /НАНОЛІТРОВИЙ осмометрі /Лазерна СПЕКЛОГРАФІЯ /LASER SPECKLE CONTRAST IMAGING (LSCI) /FREEZING POINT DEPRESSION OSMOMETERS /NANOLITER OSMOMETER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити