RU223119U1 - Устройство для биологических и биохимических исследований - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области биологии и биохимии и может использоваться в устройствах для проведения биологических и биохимических исследований преимущественно в медицине, ветеринарии, токсикологии и экологии. Устройство содержит корпус, в котором размещен блок управления, и соединенные с ним: снабженный шаговым двигателем основной узел перемещения сменного держателя; размещенный в сменном держателе планшет с лунками для исследуемых образцов; снабженный шаговым двигателем дополнительный узел перемещения сменного держателя; светодиодный узел подсветки; снабженный шаговым двигателем узел перемещения видеокамеры с объективом переменного фокусного расстояния; блок регулирования температуры; индикаторную панель; блок питания и датчики перемещения, которыми снабжены шаговые двигатели. Дополнительный узел перемещения сменного держателя выполнен с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости по оси, ортогональной оси перемещения сменного держателя, обеспечиваемого основным узлом перемещения. Видеокамера выполнена с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру и снабжена соединенным с блоком управления двигателем регулирования фокусного расстояния объектива. Каждый из шаговых двигателей снабжен соединенным с блоком управления датчиком перемещения, а светодиодный узел подсветки выполнен сменным. Устройство для биологических и биохимических исследований обладает повышенной универсальностью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к областям биологии и биохимии и может использоваться в устройствах для проведения биологических и биохимических исследований преимущественно в медицине, ветеринарии, токсикологии и экологии.

В настоящее время получили распространение устройства для биологических и биохимических исследований, работа которых основана на анализе изменения изображения в реакционной емкости с исследуемым образцом и активирующими агентами.

Известно, например, устройство, предназначенное для биохимических, а также иммунологических исследований, включающее программируемый процессор и видеоанализатор для оценки в полуавтоматическом режиме изменения изображений исследуемых образцов, нанесенных на твердофазные иммуноферментные мембраны (Старовойтова Т.А. и др. Аналитическая платформа для проведения биохимических и иммунологических исследований в микроматричном формате с видеоцифровой регистрацией. «Medline.ru. Российский биомедицинский журнал», 2010, т. 11, с. 44-62). Однако это устройство недостаточно эффективно. Оно может давать ошибочные результаты измерений, поскольку они связаны с квалификацией оператора и разным временем фиксации измененных характеристик изображения. Устройство не позволяет получать динамические параметры при образовании изменяющегося изображения в ходе реакции. Кроме этого, устройство позволяет исследовать только образцы (пробы) в микроколичествах.

Известно, например, устройство, предназначенное для биологических исследований объектов живой и неживой природы, включающее компьютер, биодетектор, в состав которого входит блок перемещения, круглый планшет с двумя рядами лунок для исследуемых образцов и тест-объектов, столик для размещения планшета, смонтированный с возможностью шагового перемещения, видеосистема, связанная с компьютером для передачи на монитор и в оперативную память компьютера изображения лунок с исследуемым образцом и тест-объектами для программного подсчета тест-объектов и вычисления степени токсичности исследуемого образца, и узел освещения, при этом видеосистема включает две малогабаритные бескорпусные видеокамеры с микрообъективами, имеющими переменное фокусное расстояние, узел освещения состоит из двух подсветок, узел шагового перемещения планшетного столика включает микроконтроллер, связанный с шаговым двигателем и последовательным портом компьютера, устройство оснащено также трехцветным индикатором состояния биодетектора (RU 2361913 С2, 2009). В этом устройстве круговое перемещение круглого планшета для позиционирования под объективы двух видеокамер не позволяет контролировать быстрые процессы в лунках (реакционных емкостях), так как оборот планшета происходит достаточно длительное время. При круговом перемещении происходит вращение реакционной смеси в лунках, что изменяет ее состояние и соответственно изменяет изображение, по которому оценивается процесс в ней. При оценке коагуляции изображение представляет собой сетку волокон, состоящих из очень крупных полимеров фибрина, что не соответствует процессам в организме человека in vivo. Кроме того, существенно ограничено применение устройства для автоматизации различных методов исследований, так как в устройстве имеется всего два варианта положений видеокамер и нерегулируемого автоматически фокусных расстояний объективов, которые настраиваются при изготовлении для автоматизации двух конкретных методик.

Из известных устройств наиболее близким к предложенному является устройство для биологических и биохимических исследований, содержащее корпус и размещенные в нем блок управления, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру, и соединенные с ним снабженный шаговым двигателем основной узел перемещения установленного в нем сменного держателя с размещенным в сменном держателе планшетом с лунками для исследуемых образцов, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости, размещенный под планшетом светодиодный узел подсветки, снабженный шаговым двигателем узел перемещения установленной в нем видеокамеры с объективом переменного фокусного расстояния, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения видеокамеры по вертикальной оси, блок регулирования температуры с датчиком температуры, индикаторную панель и блок питания, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему источнику питания (RU 2673745 С1, 2018). Это устройство предназначено для проведения биологических исследований и имманентно позволяет проводить биохимические исследования. Сменный держатель с планшетом в этом устройстве имеет возможность перемещения только по одной горизонтальной оси (в одном направлении). Видеокамера установлена с возможностью перемещения по двумя осям - по вертикальной и по горизонтальной осям перпендикулярно перемещению сменного держателя. Светодиодный узел подсветки выполнен несъемным в виде светодиодов, установленных по периметру сменного держателя ниже и под углом к лункам планшета.

Однако конструкция, предусматривающая перемещение сменного держателя с планшетом только по одной горизонтальной оси, в то время как видеокамера перемещается по второй горизонтальной оси и по вертикальной оси, не позволяет быстро устанавливать видеокамеру в рабочее положение над заданной лункой планшета. При этом оценка изображения во всех лунках планшета занимает значительное время, измеряемое минутами и десятками минут, что практически неприемлемо при исследованиях быстротекущих, например, секундных, процессов. А поскольку вес видеокамеры с объективом выше веса сменного держателя с планшетом, быстрое перемещение видеокамеры для необходимого позиционирования над соответствующей лункой существенно затруднено, что не позволяет обеспечить высокую степень объективности получаемых результатов при фиксации изменяющегося изображения. В устройстве не предусмотрено автоматическое регулирование фокусного расстояния объектива видеокамеры, его регулирование осуществляется вручную, что является потенциальной причиной ошибок при исследованиях в силу субъективности оценки качества изображения оператором. Это, в том числе, ограничивает применение устройства для многих исследований. В целом, отсутствие в устройстве возможности автоматического управления узлом перемещением сменного держателя с планшетом, автоматического управления узлом перемещения видеокамеры и автоматической настройки фокуса ее объектива значительно ограничивает универсальность применения устройства. Светодиодный узел подсветки в устройстве не позволяет достичь оптимального освещения лунок планшета. При замене сменного держателя с планшетом не обеспечивается равномерное освещение всех лунок планшета без засветок и темных полей, что в том числе снижает объективность результатов исследований. Поэтому такое устройство недостаточно универсально.

Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании устройства для биологических и биохимических исследований, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении универсальности устройства для биологических и биохимических исследований.

Это достигается тем, что в устройство для биологических и биохимических исследований, содержащее корпус и размещенные в нем блок управления, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру, и соединенные с ним снабженный шаговым двигателем основной узел перемещения установленного в нем сменного держателя с размещенным в сменном держателе планшетом с лунками для исследуемых образцов, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости, размещенный под планшетом светодиодный узел подсветки, снабженный шаговым двигателем узел перемещения установленной в нем видеокамеры с объективом переменного фокусного расстояния, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения видеокамеры по вертикальной оси, блок регулирования температуры с датчиком температуры, индикаторную панель и блок питания, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему источнику питания, введен снабженный шаговым двигателем дополнительный узел перемещения сменного держателя, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости по оси, ортогональной оси перемещения сменного держателя, обеспечиваемого основным узлом перемещения сменного держателя, при этом видеокамера выполнена с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру и снабжена соединенным с блоком управления двигателем регулирования фокусного расстояния объектива, каждый из шаговых двигателей снабжен соединенным с блоком управления датчиком перемещения, а светодиодный узел подсветки выполнен сменным.

Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков, представленной в формуле полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. Заявленное устройство для биологических и биохимических исследований представляет собой одно устройство, конструктивные элементы которого, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны (находятся в конструктивно-функциональном единстве). Их совместное использование привело к созданию нового устройства с указанным техническим результатом. Все конструктивные элементы устройства объединены в единую конструкцию и при его изготовлении соединяются между собой сборочными операциями на предприятии-изготовителе.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для биологических и биохимических исследований. На фиг.2 показан вид сверху на светодиодный узел подсветки. Фиг. 3 поясняет ход светового потока светодиодного узла подсветки.

Устройство для биологических и биохимических исследований содержит корпус 1, в котором размещен блок 2 управления и соединенные с ним: снабженный шаговым двигателем 3 основной узел 4 перемещения установленного в нем сменного держателя 5; размещенный в сменном держателе 5 планшет 6 с лунками 7 для исследуемых образцов; снабженный шаговым двигателем 8 дополнительный узел 9 перемещения сменного держателя 5; размещенный под планшетом 6 выполненный сменным светодиодный узел 10 подсветки; снабженный шаговым двигателем 11 узел 12 перемещения установленной в нем видеокамеры 13 с объективом 14 переменного фокусного расстояния, которая снабжена соединенным с блоком 2 управления двигателем 15 регулирования фокусного расстояния объектива 14; блок 16 регулирования температуры с датчиком 17 температуры; индикаторную панель 18; блок 19 питания и датчики перемещения 20, 21, 22, которыми снабжены шаговые двигатели 3, 8, 11 соответственно. Блок 2 управления и видеокамера 13 выполнены с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру. Основной узел 4 перемещения сменного держателя 5 выполнен с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя 5 в горизонтальной плоскости (вдоль одной из осей). Дополнительный узел 9 перемещения сменного держателя 5 выполнен с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя 5 в горизонтальной плоскости по оси, ортогональной (перпендикулярной) оси перемещения сменного держателя 5, обеспечиваемого основным узлом 4 перемещения сменного держателя 5. Устанавливаемые в сменный держатель 5 планшеты 6 выполнены преимущественно с одинаковыми внешними габаритами, например, 124x87 мм, а количество лунок 7 в них и размеры лунок 7 могут быть различными в зависимости от метода исследований. Блок 19 питания выполнен с обеспечением возможности подключения к внешнему источнику питания. Светодиодный узел 10 подсветки может быть выполнен в виде размещенных на подложке 23 из светонепроницаемого материала нескольких (например, четырех) фрагментов светодиодной ленты 24, включающих каждый, например, по пять светодиодов По форме фрагменты светодиодной ленты 24 образуют преимущественно квадрат. В центральной части этого квадрата на подложке 23 установлено защитное кольцо 25 из светонепроницаемого материала. Устройство может быть оснащено соединенным с блоком 2 управления узлом введения исследуемых образцов в лунки 7 (на чертежах не показано).

Для использования устройства в целях биологических и биохимических исследований предварительно устанавливают соответствующее программное обеспечение на блок 2 управления и на внешний компьютер, который может подключаться к устройству. При этом устройство может работать как автономно, так и с использованием внешнего компьютера, что предпочтительнее из-за более широких функциональных возможностей, обеспечиваемых компьютером. Перед началом работы устройства устанавливают сменный держатель 5 с планшетом 6, выбранным в соответствии с методом исследований, в лунки 7 вносят исследуемые образцы. Их внесение может осуществляться и после приведения устройства в рабочее состояние, например, в автоматизированном режиме с помощью узла внесения исследуемых образцов. Работа устройства начинается с включения электропитания, которое обеспечивается блоком 19 питания или подключаемым внешним источником питания. Блок 2 управления устанавливает начальное положение всех исполнительных узлов - шаговые двигатели 3, 8, 11 и двигатель 15 регулирования фокусного расстояния объектива 14, и включает блок 16 регулирования температуры с датчиком 17 температуры. При этом внутри корпуса 1 устанавливается необходимая температура в соответствии с выбранным методом исследований, например, 37°С для медицинских анализов или 25°С для био-эко-токсикологических исследований. Далее блок 2 управления включает светодиодный узел 10 подсветки и на индикаторной панели 18 устанавливает информацию о готовности устройства к работе. После стартовой команды оператора происходит автоматическое перемещение сменного держателя 5 с планшетом 6 под объектив 14 видеокамеры 13, автоматически устанавливаемой посредством узла ее перемещения в положение, соответствующее выбранному варианту планшета 6. При этом под объективом 14 позиционируется одна из лунок 7, она же освещается светодиодным узлом 10 подсветки. Все перемещения исполнительных узлов в устройстве обеспечиваются шаговыми двигателями 3, 8, 11, снабженными датчиками перемещений 20, 21, 22. Далее блок 2 управления (или внешний компьютер) обеспечивает оптимальную контрастность изображения путем управления двигателем 15, регулирующим объектив 14. Блок 2 управления (или внешний компьютер) сохраняет и оценивает изображения исследуемых образцов в лунках 7 в циклическом режиме. По окончании исследований все узлы перемещений останавливаются по соответствующим сигналам блока 2 управления (или внешнего компьютера) на основании заданного периода времени экспозиции или по установившимся характеристикам изображения, остающимися неизменными в течение заданного времени. В зависимости от установленной в блоке 2 управления (или внешнем компьютере) программы после обработки всех кадров изображения могут вычисляться числовые характеристики, являющиеся количественными оценками исследуемых образцов. Таким образом, в устройстве обеспечивается автоматизация исследований, практически исключающая влияние субъективного фактора на их результаты. Применение в устройстве двух узлов 4, 9 перемещения съемного держателя 5 с планшетом 6, обеспечивающего его автоматическое перемещение в двух координатах, автоматического изменения расстояния видеокамеры 13 до лунок 7 планшета 6 и автоматической настройки изменения фокусного расстояния объектива 14 видеокамеры 13 позволяет проводить широкую номенклатуру исследований в областях биологии и биохимии с использованием различных методик, что повышает универсальность устройства. При этом возможность перемещения сменного держателя 5 в двух координатах позволяет использовать планшеты 6 с лунками 7, оптимальными для каждого конкретного метода, а также быстро позиционировать необходимую лунку 7 под объективом 14 видеокамеры 13, что обеспечивает быструю фиксацию изменений изображения, которые для целого ряда исследований могут быть скоротечными. Это повышает универсальность устройства и связанную с ней объективность получаемых результатов исследований. Выполнение светодиодного узла 10 подсветки сменным обеспечивает возможность равномерности освещения лунок 7, которые имеют разные размеры в разных планшетах 6, предназначенных для различных исследований, что также вносит вклад в повышение универсальности устройства и объективности получаемых результатов исследований. Возможный вариант выполнения светодиодного узла 10 подсветки, поясняемый фиг.2 и фиг.3, обеспечивает достаточность освещения одной лунки 7, а также его равномерность за счет защитного кольца 25, играющего роль ограничителя угла излучения света. Таким образом, конструкция устройства обеспечивает его высокую универсальность, позволяя проводить исследования, которые не могут быть проведены посредством устройства-прототипа. При этом сопутствующим свойством устройства является связанное с повышением универсальности устройства повышение объективности результатов исследований.

Пример осуществления. В устройстве для биологических и биохимических исследований в качестве блока 2 управления применен микроконтроллер Arduino Mega 2560, шаговых двигателей 3, 8, 11 - шаговые двигатели Nema 17 170 42HS, датчиков 20, 21, 22 перемещения - микросхемы L298N, видеокамеры 13 - видеорегистратор 1080PAHD, объектива 14-моторизованный объектив с матрицей Sony Exmor IMX327/IMX290/NVP2450 с переменным фокусным расстоянием 2,7-13,5 мм, датчика 17 температуры - интегральный датчик LM35. Шаговые двигатели 3, 8 узлов перемещения сменного держателя 5 обеспечивают его перемещение посредством ременной передачи по взаимоперпендикулярным осям X,Y - до 250 мм по оси X и до 180 мм по оси Y. Шаговый двигатель 11 узла перемещения видеокамеры 13 обеспечивает ее вертикальное перемещение посредством винтовой передачи в диапазоне до 40 мм. Устройство использовалось на практике для проведения широкого спектра биологических и биохимических исследований, в том числе - определение С-реактивного белка, исследование гемостаза (определение протромбинового времени, АЧТВ, фибриногена), исследование функциональной активности системы комплемента сыворотки крови, определение в крови колориметрическим методом железа, альбумина и глюкозы, определение токсичности кормов путем оценки количества инфузорий Paramecium caudatum. Конструкция устройства позволила исключить влияние субъективного фактора на результаты исследований и объединить в одном устройстве различные биологические и биохимические методы, имеющие общий императив в виде изменения изображения в реакционной смеси.

Устройство для биологических и биохимических исследований, выполненное в соответствии с полезной моделью, более универсально по сравнению с аналогичными известными устройствами.

Claims (2)

1. Устройство для биологических и биохимических исследований, содержащее корпус и размещенные в нем блок управления, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру, и соединенные с ним снабженный шаговым двигателем основной узел перемещения установленного в нем сменного держателя с размещенным в сменном держателе планшетом с лунками для исследуемых образцов, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости, размещенный под планшетом светодиодный узел подсветки, снабженный шаговым двигателем узел перемещения установленной в нем видеокамеры с объективом переменного фокусного расстояния, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения видеокамеры по вертикальной оси, блок регулирования температуры с датчиком температуры, индикаторную панель и блок питания, выполненный с обеспечением возможности подключения к внешнему источнику питания, отличающееся тем, что в него введен снабженный шаговым двигателем дополнительный узел перемещения сменного держателя, выполненный с обеспечением возможности линейного перемещения сменного держателя в горизонтальной плоскости по оси, ортогональной оси перемещения сменного держателя, обеспечиваемого основным узлом перемещения сменного держателя, при этом видеокамера выполнена с обеспечением возможности подключения к внешнему компьютеру и снабжена соединенным с блоком управления двигателем регулирования фокусного расстояния объектива, каждый из шаговых двигателей снабжен соединенным с блоком управления датчиком перемещения, а светодиодный узел подсветки выполнен сменным.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светодиодный узел подсветки выполнен в виде размещенных на подложке из светонепроницаемого материала фрагментов светодиодной ленты, образующих квадрат, в центральной части которого установлено защитное кольцо из светонепроницаемого материала.