RU206033U1

RU206033U1 - Устройство для определения количества частиц и распределения их по скоростям в жидких биологических средах

Info

Publication number: RU206033U1
Application number: RU2021114185U
Authority: RU
Inventors: Евгений Георгиевич Попов; Евгений Викторович Лимонов; Илья Юрьевич Гаврилов; Евгений Евгеньевич Попов; Сергей Владимирович Ревенко; Артур Маркович Мелькумянц
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-08-17

Abstract

Полезная модель относится к медицинской измерительной технике и может быть использована для диагностики параметров различных биологических средах.Технический результат - повышение точности измерения путем формирования корректирующего сигнала, учитывающего поглощение рассеянного света в исследуемом образце. Устройство содержит расположенные последовательно вдоль общей оси: источник 2 гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризму 3 Френеля (БФ), первую щелевую диафрагму 4, камеру 5 для исследуемого образца, вторую щелевую диафрагму 6, фотоприемники 7, 21, 22, блоки 8, 24 вычисления, трехвходовый сумматор 23. Блок 24 вычисления выполнен с возможностью запоминания сигнала с выхода трехвходового сумматора 23 при калибровке, а также деления сигнала в процессе измерения на величину запомненного сигнала. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к медицинской измерительной технике и может быть использована для диагностики параметров различных биологических средах.

Как следует из достигнутого уровня техники, наиболее близким к патентуемому является устройство для определения количества частиц и распределения их по скоростям в жидких биологических средах, содержащее расположенные последовательно вдоль общей оси: источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризму Френеля, обращенную к упомянутому источнику света гранью, расположенной перпендикулярно общей оси и напротив пересекающего под прямым углом ту же ось ребра тупого угла бипризмы Френеля; первую щелевую диафрагму, расположенную симметрично относительно плоскости, проходящую через общую ось и ребро тупого угла бипризмы Френеля и выделяющую пересекающиеся между собой под углом θ два пучка света по одному соответственно из каждого сформированных бипризмой Френеля двух световых потоков; камеру для исследуемого образца, расположенную параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме камеры интеференционного поля посредством упомянутых двух пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой; вторую щелевую диафрагму, расположенную в плоскости, параллельной плоскости расположения первой щелевой диафрагмы и симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла бипрнизмы Френеля, а также фотоприемник, выход которого соединен с входом блока вычисления (RU 2387997 С1, Попов Е.Г., 27.04.2010 - прототип).

Недостаток прототипа состоит в том, что результаты измерений зависят от светопоглощающих свойств исследуемого образца, что прямо следует из следующего выражения для интенсивности I_p рассеянного света:

I₀ - интенсивность падающего света;

k_р - коэффициент рассеяния света;

k_п - коэффициент поглощения света

x_i - расстояние от рассеивающей свет i-той частицы до обращенной к второй щелевой диафрагме внутренней стенки камеры для исследуемого образца.

Настоящая полезная модель направлена на решение технической проблемы повышения точности измерения путем формирования корректирующего сигнала, учитывающего поглощение рассеянного света в исследуемом образце, в чем и состоит технический результат, достигаемый полезной моделью.

Упомянутая проблема решена тем, что устройство для определения количества частиц и распределения их по скоростям в жидких биологических средах содержит расположенные последовательно вдоль общей оси:

источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризму Френеля (БФ), обращенную к упомянутому источнику света гранью, расположенной перпендикулярно общей оси и напротив пересекающего под прямым углом ту же ось ребра тупого угла БФ; первую щелевую диафрагму, расположенную симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла БФ и выделяющую пересекающиеся между собой под углом θ два пучка света по одному соответственно из каждого сформированных БФ двух световых потоков; камеру для исследуемого образца, расположенную параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме камеры интеференционного поля посредством двух пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой; вторую щелевую диафрагму, расположенную в плоскости, параллельной плоскости расположения первой щелевой диафрагмы и симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла БФ, а также первый фотоприемник, выход которого соединен с входом первого блока вычисления.

Отличие состоит в том, что устройство дополнительно содержит второй и третий фотоприемники, трехвходовый сумматор и второй блок вычисления;

второй и третий фотоприемники расположены на соответствующей каждому осях, при этом упомянутые оси расположены симметрично относительно общей оси под углом θ относительно друг друга и пересекающие общую ось в точке, лежащей в плоскости первой щелевой диафрагмы, при этом

фотоприемники установлены с обеспечением оптического сопряжения с соответствующим каждому из них световым пучком, выделенным первой щелевой диафрагмой и прошедшим через камеру для исследуемого образца;

выход первого фотоприемника дополнительно соединен с первым входом трехвходового сумматора, к второму и третьему входам которого подключены соответственно второй и третий фотоприемники, выход трехвходового сумматора соединен с входом второго блока вычисления, выход которого подключен к дополнительно введенному второму входу первого блока вычисления, выход которого является выходом устройства, при этом

второй блок вычисления выполнен с возможностью запоминания сигнала с выхода трехвходового сумматора при калибровке, а также деления сигнала в процессе измерения на величину запомненного сигнала.

Существо полезной модели поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема устройства для измерения количества частиц и распределения их по скоростям в жидких биологических средах.

Устройство содержит расположенные последовательно вдоль общей оси 1 источник 2 гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризму 3 Френеля (далее - БФ), первую щелевую диафрагму 4, камеру 5 для исследуемого образца, вторую щелевую диафрагму 6 и фотоприемник 7, выход которого соединен с входом первого блока 8 вычисления.

В качестве источника 2 могут использоваться светодиоды или лазеры, предпочтительно полупроводниковые. 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.).

БФ 3 обращена к источнику 2 гранью 10, расположенной перпендикулярно общей оси 1 и напротив пересекающего под прямым углом ту же ось 1 ребра 11 тупого угла БФ 3. Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света за счет преломления в БФ 3 преобразуется в два световых потока 12 и 13. Преломленные БФ 3 световые потоки 12 и 13 частично перекрываясь, образуют симметричную относительно общей оси 1 область 14 перекрытия. Первая щелевая диафрагма 4 расположена в области 14 перекрытия преломленных БФ 3 световых потоков 12 и 13, симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 БФ 3, при этом боковые края щели параллельны ребру 11 БФ 3.

Камера 5 для исследуемого образца расположена параллельно первой диафрагме 4 и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в ее измерительном объеме 15 интерференционного поля посредством пересекающихся между собой под углом θ двух пучков 16 и 17 света, выделенных по одному соответственно из каждого сформированных БФ 3 двух световых потоков 12 и 13.

Вторая щелевая диафрагма 6 расположена в плоскости, параллельной плоскости расположения первой щелевой диафрагмы 4 и симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось 1 и ребро 11 тупого угла БФЗ.

Дополнительные второй 21 и третий 22 фотоприемники расположены на соответствующей каждому оси 211 и 221, при этом упомянутые оси расположены симметрично относительно общей оси 1, под углом θ относительно друг друга, и пересекают общую ось 1 в точке, лежащей в плоскости первой щелевой диафрагмы 4.

Фотоприемники 21, 22 установлены с обеспечением оптического сопряжения с соответствующим каждому из них световым пучком, выделенным первой щелевой диафрагмой 4 и прошедшими через камеру 5 для исследуемого образца.

Фотоприемники 7, 21 и 22 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам трехвходового сумматора 23, выход которого соединен с входом второго блока 24 вычисления. Выход второго блока 24 вычисления соединен в дополнительно введенным вторым входом первого блока 8 вычисления, выход 81 которого является выходом устройства.

Второй блок 24 вычисления выполнен с возможностью запоминания сигнала с выхода трехвходового сумматора 23 при калибровке, а также деления сигнала в процессе измерения на величину запомненного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Излучаемый источником 2 гауссовый пучок 9 квази- или монохроматического света направляется соосно общей оси 1 на грань 10 БФ 3. За счет преломления в БФ 3 гауссовый пучок 9 делится пополам на два световых потока 12 и 13, которые перекрываются между собой с образованием симметричной относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 БФ 3, области 14 перекрытия. Причем в любой плоскости, перпендикулярной оси 1 и пересекающей область 14 перекрытия световых потоков 12 и 13, наблюдаются интерференционные полосы.

Как и в прототипе, интерференционное поле в измерительном объеме 15 камеры 5 для исследуемого образца формируется с помощью двух пучков 16 и 17 света, выделяемых с помощью первой щелевой диафрагмы 4. Пучок 16 выделяется из потока 12, а пучок 17 - из потока 13. Поскольку размещенная в области 14 перекрытия потоков 12 и 13 диафрагма 4 расположена в плоскости, перпендикулярной оси 1, а ее щель расположена симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 1 и ребро 11 БФ 3, поэтому пучки 16 и 17 света имеют одинаковую ширину.

Таким образом, расположенная в полости камеры 5 часть области пересечения пучков 16 и 17 образует измерительный объем 15, полосы интерференционного поля в котором параллельны боковым краям щели 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.

Собранный диафрагмой 6 свет с помощью первого фотоприемника 7 преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход первого блока 8 вычисления. В качестве блока 8 может быть использован процессорный блок компьютера. В первом блоке 8 вычисления 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 первом блоке 8 вычисления 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 15 без учета поглощения в нем рассеянного света. В результате предварительной тарировки устройство позволяет определить концентрацию (в млн/мл), среднюю скорость (в мкм/сек) и подвижность частиц в задаваемых диапазонах их скоростей (например, превышающих 2 мкм/сек или 25 мкм/сек, в % от общего их числа) в рамках исследуемых показателей частиц в биологических жидкостях.

В патентуемом устройстве для исключения влияния на результаты измерения поглощения рассеянного света в исследуемом образце, образован оптический тракт, включающий дополнительные второй 21 и третий 22 фотоприемники.

Посредством второго фотоприемника 21 осуществляется преобразование в электрический сигнал интенсивности выделенного первой щелевой диафрагмой 4 пучка 17 света, прошедшего через камеру 5 с находящимся в ней исследуемым образцом, а посредством фотоприемника 22 - преобразование интенсивности выделенного первой щелевой диафрагмой 4 пучка 16 света, также прошедшего через камеру 5 с находящимся в ней исследуемым образцом. Сигналы с выходов как фотоприемников 21 и 22, так и первого фотоприемника 7 поступают соответственно на второй, третий и первый входы трехвходового сумматора 23.

В результате на выходе сумматора 23 формируется сигнал, зависящий как от суммарной интенсивности света, прошедшего через камеру 5 с находящимся в ней исследуемым образцом, так и от интенсивности света, выходящего из камеры 5. Этот сигнал поступает на вход второго блока 24 вычисления, где формируется корректирующий сигнал, равный отношению сигнала на выходе трехвходового сумматора 23, полученного при наличии исследуемого образца в камере 5, к величине сигнала с выхода того же сумматора 23, полученного при пустой камере, и находящегося в памяти второго блока 24 вычисления. Иными словами, в память второго блока 24 заносится сигнал, соответствующий интенсивности света, поступающего в камеру 5, за вычетом потерь света в материале, из которого выполнена упомянутая камера.

В результате исключается зависимость результатов измерений также и от светопоглощающих свойств материала, из которого выполнена камера 5 для исследуемого образца.

Упомянутый выше и заносимый в память второго блока 24 вычисления сигнал получают при предварительной калибровке устройства, которую осуществляют преимущественно при замене камеры 5 для исследуемого образца.

Корректирующий сигнал с выхода второго блока 24 вычисления поступает на второй вход первого блока 8 вычисления, в котором дополнительно осуществляется корректировка величины сигнала, поступающего на его первый вход. В результате сигнал с выхода 81 первого блока 8 вычисления не зависит от поглощающих свойств исследуемого образца на длине волны источника 2 гауссового пучка 9 света.

Таким образом, использование полезной модели позволяет исключить влияние поглощения рассеянного света в исследуемом образце на результаты измерений упомянутых выше величин, а следовательно обеспечивает повышение точности измерений.

Промышленная применимость патентуемого устройства подтверждается также возможностью реализации его с использованием широко известных оптических элементов, а также цифровых или аналоговых средств обработки информационных сигналов.

Claims

Устройство для определения количества частиц и распределения их по скоростям в жидких биологических средах, содержащее расположенные последовательно вдоль общей оси: источник гауссового пучка квази- или монохроматического света, бипризму Френеля (БФ), обращенную к упомянутому источнику света гранью, расположенной перпендикулярно общей оси и напротив пересекающего под прямым углом ту же ось ребра тупого угла БФ; первую щелевую диафрагму, расположенную симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла БФ и выделяющую пересекающиеся между собой под углом θ два пучка света по одному соответственно из каждого сформированных БФ двух световых потоков; камеру для исследуемого образца, расположенную параллельно первой щелевой диафрагме и на расстоянии от нее, обеспечивающем формирование в измерительном объеме камеры интеференционного поля посредством двух пучков света, выделенных первой щелевой диафрагмой; вторую щелевую диафрагму, расположенную в плоскости, параллельной плоскости расположения первой щелевой диафрагмы и симметрично относительно плоскости, проходящей через общую ось и ребро тупого угла БФ, а также первый фотоприемник, выход которого соединен с входом первого блока вычисления,
отличающееся тем, что
дополнительно содержит второй и третий фотоприемники, трехвходовый сумматор и второй блок вычисления;
второй и третий фотоприемники расположены на соответствующей каждому осях, при этом упомянутые оси расположены симметрично относительно общей оси под углом θ относительно друг друга и пересекающие общую ось в точке, лежащей в плоскости первой щелевой диафрагмы, при этом
фотоприемники установлены с обеспечением оптического сопряжения с соответствующим каждому из них световым пучком, выделенным первой щелевой диафрагмой и прошедшим через камеру для исследуемого образца;
выход первого фотоприемника дополнительно соединен с первым входом трехвходового сумматора, к второму и третьему входам которого подключены соответственно второй и третий фотоприемники, выход трехвходового сумматора соединен с входом второго блока вычисления, выход которого подключен к дополнительно введенному второму входу первого блока вычисления, выход которого является выходом устройства, при этом
второй блок вычисления выполнен с возможностью запоминания сигнала с выхода трехвходового сумматора при калибровке, а также деления сигнала в процессе измерения на величину запомненного сигнала.