DE3813110A1 - Vorrichtung zum messen der form und verformbarkeit von organischen zellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Form und der Verformbarkeit von organischen Zellen, insbesondere Erythrozyten, umfassend eine Laserstrahlquelle, ein in de­ ren Strahlengang befindliches spaltförmiges Probenvolumen zur Aufnahme der in einem Medium befindlichen Erythrozyten, wobei das Probenvolumen von zwei transparenten relativ zu­ einander beweglichen Wänden begrenzt ist, die mindestens an­ nähernd senkrecht zu dem das Probenvolumen durchsetzenden Laserstrahl angeordnet sind, einen Detektor zum Erfassen des durch Beugung des Laserstrahls im Probenvolumen entstandenen Beugungs­ bildes und eine Auswertevorrichtung für das Beugungsbild.

Es ist eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt, bei der die beiden Wände als zwei konzentrisch ineinander ange­ ordnete jeweils mit einer Bodenfläche versehene kreisrunde Plexiglaszylinder ausgebildet sind, wobei sich der innere Zylinder um seine Rotationsachse dreht. Der Zwischenraum zwischen den beiden Zylindern wird mit Blut gefüllt, welches mit einer Lösung einer bestimmten Viskosität verdünnt ist. Im Innenraum des inneren Zylinders ist ein Prisma angeordnet, welches den Strahl einer Laserstrahlenquelle durch einen Punkt in der Mantelfläche der koaxialen Zylinder zu einer nachgeordneten Auswertevorrichtung leitet. Durch das Ver­ drehen des inneren Zylinders gegenüber dem äußeren Zylinder werden die Erythrozyten in der Blutlösung einer Scherkraft unterworfen, wodurch sie deformiert werden. Die Deformation der Erythrozyten führt bei der Beugung des Laserlichts an den Erythrozyten zu einem veränderten Beugungsbild. Während ruhende nicht deformierte Erythrozyten ein mindestens annäh­ rend kreisförmiges Beugungsbild liefern, erhält man bei durch die Scherkräfte langgezogenen Erythrozyten ein mehr oder weniger ellipsoides Beugungsmuster. Diese Veränderung wird in der Auswertevorrichtung erfaßt. Die erfaßten Daten werden als X-Y-Diagramme ausgewertet, wobei die Verformung der Erythrozyten in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen wird.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist der große Bedarf an Blut für eine Messung. Der äußere Zylinder hat mehrere in den Zwischenraum führende Zu- und Ableitungen für die Blutlösung. Die nach einer Messung notwendige Reinigung des Probenvolumens ist daher sehr zeit- und ko­ stenaufwendig. Bedingt durch die sehr großen gegeneinander bewegten Zylindermantelflächen tritt bei längerer Meßzeit eine Erwärmung des Blutes auf, die zur Schädigung der Ery­ throzyten und damit zu einer Beeinflussung der Meßwerte führen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der eine Messung auch mit einer nur geringen Menge an Blut durchgeführt werden kann. Weiterhin soll eine Erwärmung der Blutlösung auch bei längeren Meßzeiten vermieden werden. Das Probenvolumen in der Meßvorrichtung soll darüber hinaus leicht zu reinigen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Probenvolumen zugewandten Flächen der Wände als über­ einander liegende, gleichsinnig gekrümmte Rotationsflächen mit gemeinsamer, parallel zu dem die Wände durchsetzenden Laserstrahl gerichteter Rotationsachse ausgebildet sind, wo­ bei die konkav gekrümmte Rotationsfläche einen gegenüber der konvex gekrümmten Rotationsfläche größeren Krümmungs­ radius besitzt und die beiden Rotationsflächen parallel zu ihrer Rotationsachse und relativ zueinander verstellbar sind.

Zum Einfüllen der zu untersuchenden Probenflüssigkeit in das Probenvolumen werden die beiden Rotationsflächen von­ einander wegbewegt Die Probenflüssigkeit wird auf die Wand mit der konkaven Rotationsfläche gegeben und die Rotationsflächen werden wieder aufeinander zubewegt, bis sie sich im Bereich ihrer Rotationsachse berühren. Die Probenflüssigkeit verteilt sich in dem durch die unter­ schiedlichen Krümmungsradien der Rotationsflächen gebilde­ ten Spalt. Wenn die beiden Rotationsflächen gegeneinander in Rotation versetzt werden, wirkt eine Scherkraft auf die in der Probenlösung befindlichen Erythrozyten. Diese werden hierdurch verformt, was anhand des dadurch veränderten Beugungsbildes in bekannter Weise ausgewertet werden kann. Die für eine Messung benötigte Menge an Probenlösung ist gegenüber der bekannten Vorrichtung sehr gering. Nach der Messung werden die beiden Wände mit den Rotationsflächen wieder voneinander wegbewegt und können auf einfache Weise gereinigt werden.

Um hohe Scherkräfte zu erreichen, darf der zwischen den Rotationsflächen als Probenvolumen gebildete Spalt nicht zu breit sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher so weitergebildet, daß der Unterschied der Krümmungsradien der beiden Rotationsflächen so groß ist, daß der zwischen diesen entstehende Spalt im Randhereich eine Breite von einem Vielfachen der Erythrozytengröße besitzt, wenn sich die Rotationsflächen im Bereich ihrer Rotations­ achse berühren. Die auf die im Probenvolumen befindlichen Erythrozyten einwirkenden Scherkräfte nehmen auf diese Wei­ se von innen nach außen hin ab. Dies kann in vorteilhafter Weise damit kombiniert werden, daß der das Probenvolumen durchsetzende Laserstrahl gegenüber dem Probenvolumen im wesentlichen quer zur Rotationsachse verstellbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, bei konstanter Rotationsge­ schwindigkeit die Auswirkungen verschieden hoher Scherkräf­ te auf die Erythrozvten zu messen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auf einfache Weise bedienen und reinigen, wenn die untere der beiden übereinander liegenden Wände die konkav gekrümmte Rota­ tionsfläche aufweist und gegenüber der oberen Wand um ihre Rotationsachse rotierbar ist und die obere Wand parallel zur Rotationsachse verstellbar ist.

Eine einfache Strahlführung des Laserlichts läßt sich auf vorteilhafte Weise dadurch erreichen, daß die eine Wand als plankonkave und die andere Wand als plankonvexe Linse aus­ gebildet sind. Das Probenvolumen wird auf diese Weise ohne eine starke Ablenkung oder Brechung des Strahls am Proben­ volumen durchstrahlt.

Eine Zerlegung des Beugungsbildes in analog darstellbare Werte Läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß im Strahlengang zwischen dem Probenvolumen und dem Detektor eine um die optische Achse des Strahlenganges drehbar ge­ lagerte Sektorblende angeordnet ist. Ein unverformter Ery­ throzyt ergibt ein im wesentlichen rotationssymetrisches Beugungsbild. Beim Zwischenschalten der Sektorblende erhält man unabhängig von der Stellung der Sektorblende eine kon­ stante Amplitude des Lichtsignals. Sind jedoch die Erythro­ zyten durch die auftretenden Scherkräfte in einer Richtung verformt, so ist auch das Beugungsbild in entsprechender Weise verformt. Man erhält auf diese Weise unterschiedliche Amplituden des Meßsignals in Abhängigkeit von der Stellung der Sektorblende. Bei Rotation der Sektorblende mit einer kon­ stanten Umdrehungsgeschwindigkeit erhält man auf diese Wei­ se eine Schwingung mit einer der Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechenden Frequenz, deren Amplitude von dem Ausmaß der Verformung abhängt. Diese Form der Meßwerterfassung läßt sich in vorteilhafter Weise auswerten. So können die Schwingungen in digitale Signale umgewandelt werden, wenn die Auswertevorrichtung einen Analog-Digital-Konverter für eine digitale Auswertung der Meßdaten aufweist. Hier­ durch lassen sich computerunterstützt vielseitige Möglich­ keiten der Auswertung realisieren.

Um den Laserstrahl auf den Detektor hin zu bündeln, ist zwischen dem Probenvolumen und dem Detektor eine Sammellinse ange­ ordnet. Eine Verfälschung der Meßergebnisse durch eine Aufweitung des Laserstrahls wird hierdurch vermieden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Das zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene schematische Meßvorrich­ tung,

Fig. 2 eine Sektorblende in Aufsicht II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Anzahl von Erythrozyten in Ruhestellung,

Fig. 4 ein Beugungsbild der Erythrozyten nach Fi­ gur 3,

Fig. 5 ein Signalverlauf auf dem Beugungsbild nach Fi­ gur 4,

Fig. 6 eine Anzahl von durch Scherkräfte verformten Erythrozyten,

Fig. 7 ein Beugungsbild der Erythrozyten nach Fi­ gur 6 und

Fig. 8 einen Signalverlauf aus dem Beugungsbild nach Fig. 7.

Die Meßvorrichtung 10 umfaßt eine Laserstrahlenquelle 12, in deren Strahlengang ein Polarisator 14 angeordnet ist. Das polarisierte Laserlicht wird mit einem Prisma 16 durch das Probenvolumen 18 geleitet. Zwischen dem Prisma 16 und dem Probenvolumen 18 ist eine Blende 20 zur Einengung des Laserstrahls angeordnet. Das Probenvolumen 18 wird von zwei koaxial übereinander angeordneten Linsen 22, 24 begrenzt. Die obere Linse 22 ist plankonvex, die untere Linse 24 ist plan­ konkav. Die konvexe Fläche 26 der Linse 22 und die konkave Fläche 28 der Linse 24 sind einander zugewandt und be­ rühren sich im Bereich ihrer Rotationsachse A. Aufgrund des geringeren Krümmungsradius der konvexen Fläche 26 ge­ genüber der konkaven Fläche 28 ist zwischen diesen beiden Flächen ein Spalt 30 zur Aufnahme der zu untersuchenden Probenflüssigkeit ausgebildet. Die plankonvexe Linse 22 ist durch eine Haltevorrichtung 32 gehalten und ist parallel zur ihrer Rotationsachse A gegenüber der plankonkaven Linse 24 verstellbar. Die plankonkave Linse 24 ist in einem Trä­ gerelement 34 befestigt, welches gegenüber der Meßvorrich­ tung 10 durch das Kugellager 36 drehbar gelagert ist. Der Träger 34 ist über ein Zahnradgetriebe 38 mit der Antriebs­ welle 40 eines Motors 42 verbunden. Die im Probenvolumen 18 gebeugten Laserstrahlen werden über einen Spiegel 44 und eine Sammellinse 46 auf eine Sektorblende 48 geleitet. Diese ist durch das Kugellager 50 drehbar um die optische Ach­ se des Laserstrahls gelagert. Die Sektorblende 48 ist über das Zahnradgetriebe 50 mit der Antriebsachse 52 eines Motors 54 verbunden. Eine Aufsicht auf die Sektorblende 48 ist in Fig. 2 dargestellt. Die durch die Sammellinse 46 gebün­ delten Laserstrahlen treffen nach Durchlaufen der Sektor­ blende 48 auf einen Detektor 50 auf. Die vom Detektor er­ haltenen Signale gelangen über eine Signalverarbeitungs­ vorrichtung 52 und einen nachgeordneten Filter 54 auf einen Analog-Digital-Konverter 56. Hier werden die analogen Meß­ signale in digitale Signale umgewandelt, um in der compu­ tergestützten Auswertevorrichtung 58 verwendungsgerecht auf­ gearbeitet zu werden.

Zu Beginn eines Meßvorganges wird die plankonvexe Linse 22 durch die Haltevorrichtung 32 angehoben, so daß die zu un­ tersuchende Probenflüssigkeit ohne Schwierigkeiten auf die konkave Fläche 28 der plankonkaven Linse 24 gegeben werden kann. Daraufhin wird die plankonvexe Linse 22 wieder abge­ senkt, so daß sie im Bereich ihrer Rotationsachse A unge­ fähr an der plankonkaven Linse 24 anliegt. Die zu unter­ suchende Probenflüssigkeit befindet sich nun in dem Spalt 30 zwischen der konkaven Fläche 28 und der konvexen Fläche 26 der Linsen 22 und 24. Bei Einschalten der Meßvorrichtung wird der Laserstrahl an den in der Probenflüssigkeit ent­ haltenen scheibenförmigen Erythrozyten (Fig. 3) gebeugt, was zu dem in Fig. 4 dargestellten Beugungsbild führt. In dem Beugungsbild ist schematisch der Spalt der Sektorblende 48 abgebildet. Die Amplitude des durch den Spalt der Sek­ torblende hindurchtretenden und vom Detektor erfaßten Laser­ strahls ist unabhängig von der Stellung des Spaltes der Sek­ torblende 48 (Fig. 5).

Wird nun die in dem rotierbaren Träger 34 gehaltene plan­ konkave Linse 24 durch den Motor 42 in Rotation versetzt, so werden die in der Probenflüssigkeit enthaltenen Erythro­ zyten einer Scherkraft F ausgesetzt und deformieren sich (Fig. 6).

Das durch Beugung der Erythrozyten erhaltene Beugungs­ bild (Fig. 7) ist nun nicht mehr rotationssymetrisch, so daß die Amplitude des erhaltenen Signals abhängt von der Stellung des Spaltes der Sektorblende 48. In Fig. 8 ist die Amplitude des Meßsignals in Abhängigkeit von der Stellung des Spaltes dargestellt. Das Signal hat die Form einer Sinusschwingung, deren Frequenz von der Umdrehungs­ geschwindigkeit der Sektorblende und deren Amplitude von der Verformung der Erythrozyten abhängt. Hierdurch können spezifische Krankheiten wie zum Beispiel Sichelzellenanämie und Hämoglobin-C-Mangel nachgewiesen werden.

Durch gleichzeitiges Verstellen des Prismas 16, der Blende 20 und des Ablenkspiegels 44 quer zur Rotationsachse A (Fig. 1) kann der das Probenvolumen durchsetzende Laser­ strahl quer zur Rotationsachse A der beiden Linsen 22, 24 verstellt werden. Da die Breite des Spaltes 30 zwischen den Linsen 22 und 24 in Abhängigkeit von der Entfernung zur Rotationsachse A variiert, treten bei konstanter Umdrehungs­ geschwindigkeit der plankonkaven Linse 24 verschieden hohe Scherkräfte in der Probenflüssigkeit auf. Daher kann durch ein entsprechendes Verstellen des Laserstrahls bei kon­ stanter Rotationsgeschwindigkeit der plankonkaven Linse 24 die Verformbarkeit der Erythrozyten bei unterschiedli­ chen Scherkräften gemessen werden.

Nach der Messung wird die plankonvexe Linse 22 durch die Haltevorrichtung 32 angehoben. Die beiden die Probenflüs­ sigkeit begrenzenden Rotationsflächen 26, 28 können nun einfach gereinigt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Messen der Form und der Verformbarkeit von organischen Zellen, insbesondere Erythrozyten, um­ fassend eine Laserstrahlquelle, ein in deren Strahlen­ gang befindliches spaltförmiges Probenvolumen zur Auf­ nahme der in einem Medium befindlichen Erythrozyten, wobei das Probenvolumen von zwei transparenten relativ zueinander beweglichen Wänden begrenzt ist, die min­ destens annähernd senkrecht zu dem das Probenvolumen durchsetzenden Laserstrahl angeordnet sind, einen De­ tektor zum Erfassen des durch Beugung des Laserstrahls im Probenvolumen entstandenen Beugungsbildes und eine Auswertevorrichtung für das Beugungsbild, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dem Probenvolumen (18) zugewandten Flächen (26, 28) der Wände (22, 24) als übereinander liegende gleichsinnig gekrümmte Rotationsflächen (26, 28) mit gemeinsamer, parallel zu dem die Wände (22, 24) durchsetzenden Laserstrahl gerichteter Rotationsachse (A) ausgebildet sind, wobei die konkav gekrümmte Rota­ tionsfläche (28) einen gegenüber der konvex gekrümmten Rotationsfläche (26) größeren Krümmungsradius besitzt und die beiden Rotationsflächen (26, 28) parallel zu ihrer Rotationsachse (A) relativ zueinander verstellbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der Krümmungsradien der beiden Rotations­ flächen (26, 28) so groß ist, daß der zwischen diesen entstehende Spalt (30) im Randbereich der Rotationsflächen eine Breite von einem Vielfachen der Erythrozytengröße besitzt, wenn sich die Rotationsflächen (26, 28) im Be­ reich ihrer Rotationsachse (A) berühren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der das Probenvolumen (18) durchsetzende Laser­ strahl gegenüber dem Probenvolumen (18) im wesentlichen quer zur Rotationsachse (A) verstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die untere (24) der beiden übereinander liegenden Wände (22, 24) die konkav gekrümm­ te Rotationsfläche (28) aufweist und gegenüber der obe­ ren Wand (22) um ihre Rotationsachse (A) rotierbar ist und daß die obere Wand (22) parallel zur Rotationsachse (A) verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Wand (24) als plankon­ kave und die andere Wand (22) als plankonvexe Linse ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Probenvolumen (18) und dem Detektor (50) eine um die optische Achse des Strahlenganges drehbar gelagerte Sektorblende (48) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (52, 54, 56, 58) einen Analog-Digital-Konverter (56) für eine digitale Auswertung der Meßdaten aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Probenvolumen (18) und dem Detektor (50) eine Sammellinse (46) ange­ ordnet ist.