Центрифужные анализаторы дисперсных сред

Разделений дисперсных сред в поле центробежных сил.

1. камера (вакуумная)

2. ротор (вращается до 80 тыс. об./мин.)

3. пробирка

4. окно

5. окно

6. оптика

7. лампа

8. зеркальце

9. фотоэлектрический умножитель

10. усилитель

11. показывающий прибор

12. уравновешивающая пробирка

13. привод ротора

14. патрон

Аналитическая центрифуга: в патроне – пробирка со специальным раствором и пробой анализируемой среды (без смещения). С увеличением скорости вращения патрон отклоняется от вертикали к горизонтали (рисунок б, в, г). В положении (г) начинается разделение компонентов анализируемой среды (за счёт различных плотностей) на отдельные слои (рисунок д). После разделения (время подбирается) пробирку извлекают из центрифуги и измеряют количество слоёв. В сложных аппаратах количество слоёв анализируется во время вращения. Свет попадает в фотоэлектрический умножитель и потом в усилитель, затем прибор показывает!!! На диаграмме – кривая из отдельных импульсов, принадлежащих тому или иному компоненту.

Фотоплетизмографический датчик пульсоксиметра содержит два светоизлучающих диода, работающих один в “красной”, другой - в “инфракрасной” области спектра, а также широкополосный фотоприемник. Конструктивно датчик выполняется таким образом, что при его расположении на поверхности тела человека на фотоприемник поступает свет излучателей, ослабленный участком тканей, содержащим артериальный сосуд.

На практике используются два типа датчиков, первый, анализирующий излучение светодиодов, проходящих через ткани, и второй - излучение, отраженное от исследуемых тканей.

Датчики проходящего излучения (рис. 41) укрепляются на кончике пальца руки или ноги, мочке уха пациентов, у детей датчик часто закрепляется на стопе в области большого пальца или на ладони.

Датчики, регистрирующие рассеянное тканями излучение, размещаются на поверхности тела в проекции сонной или височной артерии / 87 /. Расположение отражательного датчика на головке плода позволяет осуществить фетальный мониторинг сатурации и ЧСС в родах / 88 /.

Для датчиков пульсоксиметров используются специально разработанные бескорпусные светодиоды красного и инфракрасного диапазонов, размещенные на одной подложке для совмещения оптических осей излучения / 89 /.

Высокая крутизна спектральной характеристики абсорбции Нв и НвО₂ в области красного и инфракрасного излучения (рис.40) требует малого разброса центральной длины волны излучения светодиодов, используемых в датчике. Для красного диапазона длина волны излучения должна находиться в пределах 660± 5 нм, для инфракрасного - 940± 10 нм.

Технологический разброс длины волны излучения при производстве светодиодов может достигать значения ± 15 нм / 90, 91 /. Поэтому возникает необходимость произвести отбраковку светодиодов по длине волны излучения, что удорожает датчик пульсоксиметра. Некоторые производители мониторной аппаратуры идут по другому пути. Для различных значений длин волн излучения светодиодов вводится коррекция калибровочной зависимости, связывающей отношение R и значение сатурации. Это обстоятельство заставляет с осторожностью относиться к возможности замены датчиков пульсоксиметров без проведения уточнения градуировки прибора.

В качестве фотоприемников в датчиках пульсоксиметров используются кремниевые фотодиоды, обладающие высокой чувствительностью в области “красного” и “инфракрасного” диапазонов излучения, быстродействием и низким уровнем шума.

Структурная схема пульсоксиметра показана на рис. 45. Фотоприемник преобразует интенсивность ослабленного тканями “красного” и “инфракрасного” излучения в электрический сигнал, поступающий в тракт усиления. Излучатели датчика включаются поочередно, т.е. коммутируются с частотой порядка 1000 Гц, что позволяет использовать для регистрации излучения один коммутируемый фотоприемник. Далее в усилительном тракте сигналы “красного” и “инфракрасного” излучения разделяются на два канала с помощью импульсов управления коммутатора, переключающих светодиоды. В каждом канале производится измерение двух составляющих ФПГ сигнала, обусловленных постоянной и пульсирующей составляющими абсорбции, необходимых для вычисления величины R и определения сатурации по калибровочной кривой.

Особенностью усилительного тракта является необходимость усиления сигналов фотоприемника в достаточно большом динамическом диапазоне входных сигналов (более 60дБ). Это требование обусловлено значительным разбросом оптических характеристик кожи, подлежащих тканей, выраженности пульсаций кровотока в месте расположения датчика у различных пациентов.

Реализация требуемого динамического диапазона достигается использованием цифровой АРУ, охватывающей каскады усиления ФПГ сигнала и источника тока, питающего светодиоды. Система АРУ поддерживает выходные сигналы усилительного тракта на уровне номинального напряжения входа АЦП вычислителя с целью уменьшения шума квантования.

Рисунок 45 - Структурная схема пульсоксиметра

Вычислитель пульсоксиметра содержит программное обеспечение, реализующее первичную обработку ФПГ сигнала, алгоритмы выделения артериальных пульсаций по “красному” и “инфракрасному” каналам, вычисления отношения R и определения величины SрО₂ по занесенной в памяти вычислителя калибровочной зависимости.

В основе измерения лежит неинвазивный метод измерения поглощения света, проходящего через палец или мочку уха человека. Количество переданного света зависит от многих факторов, большинство из которых постоянны. Однако одним из этих факторов является кровоток в артериях. Поскольку кровоток меняется со временем, он пульсирует. Путем измерения света, поглощенного при пульсации, можно получить насыщение артерии кислородом. Регистрация пульсации показывает кривую PLETH и сигнал ЧСС.

Принцип действия пульсоксиметра состоит в следующем: полученная опытным путем формула установлена с использованием закона Ламберта-Бэра в соответствии с характеристиками спектра поглощения восстановленного (Reductive) гемоглобина (R Hb) и оксигемоглобина (О2 Hb) в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Принцип работы устройства основан на использовании фотоэлектрической контрольно-измерительной техники, позволяющей просканировать функциональную активность пульса, и последующей записи полученных данных. Два пучка излучения с различной длиной волны (660 нм видимой и 940 нм ближней инфракрасной области спектра) могут быть сфокусированы на кончике ногтя человека через зажим пальцевого датчика. Измеренный сигнал затем может быть получен фоточувствительным элементом, данные с которого после обработки электронными схемами и микропроцессором будут отображаться двумя группами светодиодов.

В датчике используются красные светодиоды с длиной волны 660нм и инфракрасные диоды с длиной волны 940нм. Максимальная мощность излучения светодиода составляет 4мВт.

Анализаторы гетерогенных сред:

(1)

(2)

Гетерогенные среды: обычно – дисперсные среды (жидкость, содержащая капельки другой жидкости, твердые частицы или пузырьки газа; газ, содержащий твердые частицы или капельки жидкости). В этих средах распространение электромагнитного излучения сопровождается: дифракцией (при малых размерах частиц), поглощением, отражением, преломлением. Поэтому при просвечивании образуются 2 потока: I₁ попадает в ПИ1, I₂ – в ПИ2 (направленный под углом 90° к направлению излучения).

I₂ – так называемый рассеянный поток.

Интенсивность I₁ – по (1):

К_р – показатель рассеивания (зависит от свойств среды, материала, размеров, формы и концентрации частиц).

I₂ – пропорционален I₀ (исходному потоку);

Коэффициент а зависит от тех же величин, что и К_р, кроме концентрации.

Оптические анализаторы, базирующиеся на измерении поглощения гетерогенной средой – турбидиметры.

Анализаторы, измеряющие рассеянное излучение – нефелометры (“облако”)

Фотоколориметры:

Поглощение гомогенной средой электромагнитного излучения. Выделение выбранной длины волны для анализа – с помощью светофильтров. При их построении используются методы прямого и уравновешивающего измерительного преобразования. Обычно применяют дифференциальные схемы измерения.

(*)

Схема а): фотоколориметр прямого дифференциального измерительного преобразования.

От источника излучения 1 через оптическую систему 2 свет направляется через фильтр Ф1 к призме 3 и разветвляется на два канала: измерительный (верхний) и сравнительный (нижний – на рис.). В измерительном канале: свет проходит через измерительную кювету 6, заполненную анализируемой средой и поступает на фотоприемник 8. В сравнительном канале: кювета 7 с эталонной средой (D_н известна) и фотоприемник 9. Сигналы фотоприемников поступают в дифференциальный электронный усилитель 10, где определяется разность сигналов, а затем усиливается. Выходной сигнал воспринимается вольтметром 11 в соответствии с формулой (*).

К колориметру придается набор фильтров для анализа концентрации различных веществ.

Здесь используются два фотоприемника, характеристика которым могут значительно изменяться во времени, причем по-разному → погрешность.

Λ = 1..2

Большая точность: схема дифференциального уравновешивающего преобразования (рис. б)).

(1-8 – идентичны). Кроме того: обтюратор 12 (диск с нечетным количеством отверстий) приводимый во вращение синхронным двигателем 13. От этого – использование одного фотоприемника, а также усилитель переменного тока 9. → большая стабильность и точность.

Здесь: периодически поток света проходит через измерительную 6 и сравнительную 7 кюветы, что обеспечивается путем вращения обтюратора. Через зеркальца 16 и 17 в один и тот же фото приемник 8 поочередно поступают излучения от измерительной и сравнительной кювет. На выходе электронного усилителя – сигналы в виде импульсов:

Т. е. переменный ток, который усиливается и управляет работой реверсивного двигателя 10. Когда импульс света из измерительной кюветы (И) меньше, чем из сравнительной (Ср), двигатель перемещает шторку 11 так, чтобы она преграждала поток света, поступающий из сравнительной кюветы на фотоприемник.

Когда И=Ср (станут равны), реверсивный двигатель остановится → уравновешивание измерительной схемы. По положению стрелки 14 на шкале 15 определяется разность оптических плотностей анализируемой и эталонной сред.

Λ = 0,5..1.

Сами фотоколориметра применяются только для окрашенных сред. Их применение расширяется за счет использования химических реакций: перед измерением анализируемая среда подвергается дополнительному химическому воздействию. В результате она окрашивается в характерный для определяемого компонента цвет. Затем кювета устанавливается в анализатор.

В медицинской практике: фотоколориметры реакционным методом определяют концентрации многих биологических веществ и сред.