Elektroniczna aparatura medyczna cz. 2 1

Aparatura laboratoryjna PN-EN 61010-1:2011E Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 1: Wymagania ogólne PN-EN 61010-2-010:2006P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-010: Wymagania szczegółowe dotyczące urządzeń laboratoryjnych przeznaczonych do nagrzewania materiałów 2

PN-EN 61010-2-020:2008P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-020: Wymagania szczegółowe dotyczące wirówek laboratoryjnych PN-EN 61010-2-040:2007P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-040: Wymagania szczegółowe dotyczące sterylizatorów i urządzeń do mycia i dezynfekcji stosowanych do obróbki materiałów medycznych 3

PN-EN 61010-2-051:2006P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-051: Wymagania szczegółowe dotyczące laboratoryjnych urządzeń do mieszania i miksowania PN-EN 61010-2-061:2006P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-061: Wymagania szczegółowe dotyczące laboratoryjnych spektrometrów z termicznym rozpylaniem i jonizacją 4

PN-EN 61010-2-081:2005P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-081: Wymagania szczegółowe dotyczące automatycznych i półautomatycznych urządzeń laboratoryjnych przeznaczonych do analiz i innych zastosowań PN-EN 61010-2-091:2013-04E Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-091: Wymagania szczegółowe dotyczące kabin rentgenowskich 5

PN-EN 61010-2-101:2005P Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-101: Wymagania szczegółowe dotyczące urządzeń medycznych przeznaczonych do diagnozy in vitro (IVD) PN-EN 61010-2-201:2013-12E Wymagania bezpieczeństwa dotyczące elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych -- Część 2-201: Wymagania szczegółowe dotyczące urządzeń sterowania 6

Spektroskopia - dział nauki zajmujący się badaniem struktury energetycznej (budowy i właściwości) substancji. Odbywa się to poprzez obserwację i analizę rozkładu energii czyli widm promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez dany obiekt fizyczny. Absorpcjometria dotyczy w tym wypadku badania i pomiaru absorpcji promieniowania w zakresie od ultrafioletu do podczerwieni. 7

Fotometria absorpcyjna Równoległa wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu f0 przechodząc prostopadle przez próbkę o grubości warstwy d ulega częściowemu odbiciu na granicy ośrodków (fr). Pozostała część przechodzi przez próbkę, gdzie częściowo ulega pochłonięciu (absorpcji). 8

Absorpcja promieniowania - pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przez materię. Na skutek absorpcji natężenie wiązki światła padającego na ośrodek ulega zmniejszeniu. Każda z substancji pochłania charakterystyczne dla siebie długości fali. Zdarza się, że dotyczy to jednej z długości wówczas możemy mówić o absorpcji selektywnej. To jaka długość fali będzie pochłaniana zależy od rodzaju substancji z jaką mamy do czynienia. Jeśli substancje absorbują fale o tej samej długości to różnią się one intensywnością w pochłanianiu. 9

Absorpcja promieniowania Pomiary absorpcji promieniowania wykonuje się zwykle wobec próbki uznanej za zerową, bądź też wobec próbki wzorcowej. Zatem odbita lub rozproszona część promieniowania ( i tak mała r << 0) jest stała i może być w dalszych rozważaniach pominięta. 10

Absorpcja promieniowania Bouguer oraz Lambert w XVIII wieku stwierdzili, że natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek absorbujący zmniejsza się w stosunku geometrycznym, podczas gdy grubość warstwy rośnie w stosunku arytmetycznym. Czyli względne osłabienie promieniowania jest proporcjonalne do przyrostu warstwy. Po dokonaniu całkowania w granicach 0, 1 oraz 0, d oraz po zmianie podstawy logarytmu z naturalnego na dziesiętny otrzymamy: 11

Stosunek 0/1 oznacza jaka część promieniowania zostaje przepuszczona przez ośrodek absorbujący i nosi nazwę transmisji: Natomiast absorbancja jest to wielkość fizyczna służąca do określenia ilości zaabsorbowanego promieniowania: czyli: k – stała proporcjonalności (współczynnik pochłaniania promieniowania, nazywany współczynnikiem absorpcji) 12

Prawo Lambert'a-Beer'a określa natomiast zależność współczynnika k od stężenia c oraz rodzaju substancji, a ściślej współczynnika absorbancji a, dla danej substancji zależnego jedynie od długości fali promieniowania : Stąd dalej otrzymamy prawo Bouguer'a-Lambert'a-Beer'a: Dotyczy ono przypadku, gdy w próbce znajduje się jedna substancja absorbująca. 13

Jeżeli w próbce jest n substancji o stężeniach c1 Jeżeli w próbce jest n substancji o stężeniach c1 ... cn i współczynnikach absorbancji a1 ... an, wówczas absorbancja podlega prawu addytywności: Prawo addytywności absorbancji obowiązuje, gdy w próbce nie zachodzą żadne reakcje między zawartymi w niej substancjami. 14

W analityce medycznej najczęściej mamy do czynienia z badaniem próbek w postaci roztworów złożonych z rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonych o stężeniach c1 ... cn tworzących mieszaninę jednorodną. W takim przypadku grubość warstwy d jest jednakowa dla wszystkich substancji: Powyższe zależności są spełnione przy założeniu, że strumień padający na badaną próbkę jest monochromatyczny. 15

Celem zastosowania metody fotometrii absorpcyjnej w ilościowej analizie chemicznej jest określenie wartości stężenia substancji. Możemy to zrealizować: 1. Bezpośrednio z prawa Bouguer’a-Lambert’a-Beer’a znając współczynnik absorbancji, z zależności: 16

2. Metodą porównawczą, wówczas gdy dysponujemy wzorcem badanej substancji: stąd: 3. Z krzywej wzorcowej, wówczas gdy zależność między stężeniem, a absorbancją jest nieliniowa.

Jednowiązkowy stałostrumieniowy fotometr absorpcyjny I = k f ×F gdzie: kf - czułość fotoogniwa zaś U(f )= -P100 × I zatem: U = k ×F gdzie: k = - kf . P100 - stała przetwarzania 18

Po to, by właściwie zmierzyć transmisję próbki należy uwzględnić czynniki zakłócające pomiar. Zakłócenia dla transmisji bliskich zera (przesłona P2 w pozycji zasłaniającej strumień świetlny): – strumień rozproszony lub zewnętrzny docierający do fotoelementu, – zerowy (ciemny) prąd fotoelementu, – prądy i napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy układu elektronicznego.

Na wyjściu układu elektronicznego powstaje napięcie: U(T = 0)=U0  0V Aby je doprowadzić np. do 0 V wprowadza się regulację zera wzmacniacza potencjometrem P0, doprowadzając to napięcie do wartości zerowej U = 0V (T = 0, A = ).

Przyczyny zakłóceń dla transmisji bliskich jedności (przesłona odsłonięta, w torze umieszczona kuweta odniesienia KO z roztworem o zerowym stężeniu badanej substancji: – zmiana nastawianej długości fali promieniowania monochromatycznego, – zmiana strumienia świetlnego emitowanego przez żarówkę na skutek zmian napięcia zasilającego oraz (lub) temperatury włókna żarówki, – zmiany strumienia świetlnego powodowane zmianą tłumienia filtru optycznego lub reemisji siatki dyfrakcyjnej na skutek zmian temperatury zewnętrznej, – zmiany wzmocnienia układu elektronicznego.

Skutkiem występowania tych zakłóceń na wyjściu układu elektronicznego powstaje napięcie: U(T = 1)=U1  1V Aby doprowadzić to napięcie np. do 1 V wprowadza się regulację wzmocnienia wzmacniacza przy pomocy potencjometru P100, doprowadzając to napięcie do wartości zerowej U = 1V (T = 1, A = 0).

Przykład fotodiody zintegrowanej z wzmacniaczem - OPT201 :

Zastosowanie zewnętrznego rezystora sprzężenia zwrotnego: Podstawowy układ połączeń:

Zerowy (ciemny) prąd fotoelementu:

Zakresy długości fal elektromagnetycznych promieniowania optycznego: Zakres promieniowania UV VIS UV-C UV-B UV-A Długość fali w [nm] 100-280 280-315 315-380 380-780 Zakres promieniowania IR IR-A IR-B IR-C Długość fali w [nm] 780-1400 1400-3000 3000-10000

Spektrofotometr Spekol 1 Spektrofotometr Spekol 1, produkcji CARL ZEISS JENA, jest jednowiązkowym stałostrumieniowym spektrofotometrem, pracującym w zakresie długości fal od 330 do 850 nm. Rolę monochromatora pełni lustrzana siatka dyfrakcyjna. Za pomocą odpowiedniego układu mechanicznego można obracać lustrem z siatką dyfrakcyjną i dzięki temu zmieniać długość fali promieniowania padającego na badaną próbkę. Rolę fotodetektora pełni ogniwo selenowe, umieszczone w zewnętrznej przystawce. Powstały w nim prąd jest przetwarzany na napięcie, które jest wzmacniane i mierzone przez woltomierz wyskalowany w jednostkach transmisji i absorbancji. 27

Spektrofotometr Spekol 1 - schemat blokowy 28

Spektrofotometr Spekol 1 - wnętrze 29

Źródłem promieniowania jest lampa wolframowa Źródłem promieniowania jest lampa wolframowa. Miernik jest wyskalowany w jednostkach absorbancji oraz transmisji. Promieniowanie wychodzące ze szczeliny wejściowej monochromatora jest przez kolimator kierowane w postaci równoległej wiązki na odbiciową siatkę dyfrakcyjną gdzie zachodzi rozszczepienie światła. Następny kolimator kieruje promienie odbite od siatki na płaszczyznę szczeliny wyjściowej monochromatora. Wybieranie żądanej długości fali odbywa się przez obrót siatki (zmiana kąta padania) za pomocą pokrętła 4. Pokrętło jest wyskalowane w nanometrach (10–9 m), co pozwala na bezpośredni odczyt długości fali.

Spektrofotometr Spekol 1 – schemat płyty czołowej 2 – potencjometr „0”, 3 – potencjometr „100”, 4 – pokrętło monochromatora, 5 – otwieranie i zamykanie szczeliny wyjściowej, 6 – fotoogniwo, 7 – przesuwny uchwyt z próbką badaną i porównawczą 31

Spekol 1300 1 2 3 1. Wyświetlacz i klawiatura. 2. Komora pomiarowa. 3. Dźwignia zmiany kuwet. 1 2 3 32

Akcesoria Lampy halogenowe, deuterowe Filtry optyczne Kuwety pomiarowe. 33

JASCO V-650 PC Spektrofotometr UV-VIS Dwuwiązkowy spektrofotometr do zastosowań badawczych. Wyposażenie dodatkowe: przystawki termostatowane, zmieniacze kuwet, przystawki odbiciowe itp. Oprogramowanie pracujące w środowisku Windows: analiza ilościowa, pomiary w funkcji długości falowej, w funkcji czasu, dla stałej długości falowej, pełna obróbka danych m.in.: powiększanie (zoom), nakładanie widm, wybór ekstremów, obliczanie pochodnych, wygładzanie itd., analiza widm, zarządzanie plikami, tworzenie raportów itd. http://www.medson.pl 34

SPEKTROFOTOMETR Metertech SP-8001 Uniwersalny, dwuwiązkowy spektrofotometr UV-VIS na zakres 200 - 1100 nm. Dostępne są następujące tryby pomiarów: fotometryczny, pomiar widma, pomiar w funkcji czasu, kinetyka oraz oznaczanie ilościowe. Spektrofotometr może być dodatkowo wyposażony w różne przystawki np.: przystawki termostatowane ogniwami Peltiera, przystawki termostatowane wodą, zmieniacze kuwet, przystawki przepływowe.                        35 http://www.medson.pl

Reflektometria Teoretycznie reflektancję definiuje się jako stosunek strumienia promieniowania monochromatycznego r odbitego od substancji rozpraszającej do strumienia promieniowania padającego na próbkę 0

Zakładając, że: - na warstwę barwną pada monochromatyczne promieniowanie dyfuzyjne (rozproszone we wszystkich kierunkach), - warstwa barwna jest tak gruba, że dalsze jej zwiększanie nie ma znaczącego wpływu na reflektancję, - cząsteczki pigmentu w warstwie barwnej są zorientowane bezładnie, dzięki czemu strumień wychodzący z warstwy jest dyfuzyjnie rozproszony, - reemisja promieniowania jest odbierana kierunkowo, - odczynnik, którym wysycone jest pole testowe, oddziaływuje tylko z jednym składnikiem nakładanej próbki,

wówczas między reflektancją R(), a stężeniem badanego składnika istnieje zależność:

Powyższe wyrażenie stanowi teoretyczną podstawę rozwiązań reflektometrycznych mierników służących do pomiaru stężenia substancji przy użyciu tak zwanych testów suchych. Długość fali stosowanego promieniowania zależy od rodzaju pasków, w większości glukometrów wykorzystywane jest promieniowanie świetlne z zakresu czerwieni i podczerwieni (600 do 800 nm). Pomiar parametrów płynów ustrojowych przy pomocy testów suchych jest wykonywany najczęściej w oparciu o zmianę zabarwienia pola odczytowego testu na skutek oddziaływania oznaczanej substancji. Zmiana zabarwienia wywoływana jest reakcją chemiczną, najczęściej reakcją utleniania i redukcji, która przebiega w polu odczytowym testu suchego między reagentami, a oznaczanym związkiem chemicznym.

Paski testowe służące do pomiaru stężenia glukozy w pełnej krwi, są paskami, na których znajduje się pole odczynnikowe zawierające system reagujący, składający się z oksydazy D-glukozy, peroksydazy oraz chromogennego indykatora. Stężenie glukozy w badanej próbce określa się na podstawie intensywności zabarwienia pola odczytowego paska. Metoda pomiaru stężenia danej substancji za pomocą tzw. suchych testów diagnostycznych polega na : - naniesieniu oznaczanej próbki na pole odczytowe paska, - odczekaniu dokładnie określonego czasu potrzebnego dla zajścia reakcji chemicznych, - odczytaniu zmiany zabarwienia.

Obiektywizacja i zwiększenie dokładności odczytu pasków testowych wymaga zastosowania urządzeń pomiarowych, tzw. czytników testów suchych, w których najczęściej stosuje się przetworniki reflektancyjne:

W spektrofotometrze Spekol ustawiamy odpowiednią długość fali, – nanosimy próbkę na pasek testowy w chwili t = 0 s, – po upływie t = 10 s delikatnie osuszamy pasek i wkładamy do przetworniku reflektancyjnego współpracującego z fotometrem, – pierwszy pomiar UR(λ) dla długości fali λ = 550 nm wykonujemy dla t = 120 s, – kolejne pomiary UR(λ) w zakresie 550 do 750 nm wykonujemy w odstępach czasowych t = 5 s.

Krew jako zawiesina wielofazowa Krew składa się z cieczy zwanej osoczem oraz elementów (komórek) tworzących fazy stałe zwanych krwinkami. Krwinki stanowią około 45% objętościowych krwi i dzielą się na czerwone, białe oraz płytkowe. Uwzględniając, że wymiary krwinek mieszczą się w przedziale 1 mm (krwinki płytkowe) do 20 mm (monocyty), można klasyfikować krew jako zawiesinę wielofazową, w której fazy stałe tworzą krwinki natomiast fazą ciekłą jest układ koloidalny - osocze. 43

Krew jako zawiesina wielofazowa Stosunek koncentracji RBC : PLT : WBC wynosi około 1000 : 100 : 1. Przy odległościach między krwinkami porównywalnych z ich wymiarami trudno jest znaleźć metodę pomiarową charakteryzującą się odpowiednią rozdzielczością. Dlatego też wszystkie znane procedury pomiarowe, jako jeden z ich elementów zawierają rozcieńczanie krwi. Duży stosunek koncentracji krwinek czerwonych do białych przy porównywalnej ich objętości uniemożliwia pomiar koncentracji krwinek białych. Wykorzystuje się fakt braku odporności błony komórkowej krwinek czerwonych na substancje rozpuszczające związki tłuszczowe (detergenty). 44

Definicje podstawowych parametrów hematologicznych oraz ich pochodnych

Mikroskopowa metoda pomiaru koncentracji krwinek czerwonych Polega na liczeniu krwinek czerwonych w rozcieńczonej roztworem izotonicznym próbce krwi, które dokonuje się pod mikroskopem w specjalnej komorze pomiarowej. Obarczona jednak znacznym błędem (10 do 15%). 46

Metoda konduktometryczna impulsowa pomiaru koncentracji krwinek Krew rozcieńcza się roztworem izotonicznym o przewodności właściwej około 15 mS/cm i umieszcza w naczyńku pomiarowym, w którym zanurza się czujnik pomiarowy z systemem elektrod E0–E1 47

Podstawą zasady pomiarowej jest wykorzystanie zjawiska bardzo dużej rezystancji błon komórkowych względem otaczającego je środowiska. Przebieg napięcia przy przepływie krwinek przez otwór pomiarowy:

Pomiaru koncentracji krwinek dokonuje się przez ich zliczenie w określonej objętości zawiesiny Vd, przy zadanym progu komparacji UK. Koncentrację krwinek w zawiesinie określamy z zależności przedstawionej w tabeli powyżej. Z powodu niewystarczającej rozdzielczości czujników pomiarowych, krew rozcieńcza się w stopniu R. Zależność między koncentracjami krwinek w rozcieńczonej zawiesinie (RBCz, WBCz), a koncentracjami we krwi (RBC, WBC) jest następująca: RBCz = R RBC × RBC; WBCz = RWBC ×WBC RRBC, RWBC – stopień rozcieńczenia krwi do pomiaru koncentracji krwinek czerwonych i białych

Równania przetwarzania czujników koncentracji krwinek: NRBCz = R RBC × VdRBC × RBC NWBCz = RWBC × VdWBC × WBC VdRBC, VdWBC – dozowana objętość rozcieńczonej krwi. Korzystając z zależności odwrotnej, na podstawie pomiaru NRBCz oraz NWBCz można obliczyć RBC i WBC. Uśredniając wartość N amplitud pochodzących od przepływu krwinek czerwonych otrzymamy: mU – średnia amplituda N impulsów, MCV – średnia objętość krwinek czerwonych.

Pomiar stężenia hemoglobiny metodą fotometrii absorpcyjnej Podstawą jest prawo Bouguera–Lamberta–Beera: A – absorbancja, a() – wagowy współczynnik absorbancji, d – grubość warstwy absorbującej, c – stężenie wagowe. Pomiaru stężenia hemoglobiny dokonuje metodą cyjanhemiglobinową się przy długości fali promieniowania świetlnego l = 540 nm. Ponieważ absorbancja cyjanhemiglobiny w krwi dla tej długości fali jest bardzo duża, próbkę rozcieńcza się odpowiednim odczynnikiem.

Przy założeniu stałości natężenia promieniowania (F0 = const Przy założeniu stałości natężenia promieniowania (F0 = const.) padającego na kuwetę pomiarową natężenie promieniowania F za kuwetą jest zależne jedynie od stężenia cyjanhemiglobiny. Wynik stężenia hemoglobiny: F – natężenie promieniowania monochromatycznego za kuwetą pomiarową, F0 – natężenie promieniowania przed kuwetą pomiarową, R – stopień rozcieńczenia próbki krwi a – wagowy współczynnik absorbancji, d – grubość warstwy absorbującej.

Schemat blokowy przygotowania próbki krwi do pomiarów HGB, WBC, RBC oraz HCT

Rozcieńczanie próbki krwi Podstawową przyczyną konieczności wykonywania czynności rozcieńczania jest niedostateczna rozdzielczość znanych metod pomiarowych. Z powodu znacznych różnic w koncentracji poszczególnych rodzajów krwinek zakres stosowanych w systemach hematologicznych rozcieńczeń jest bardzo szeroki i wynosi od 1:200 do 1:80000 części objętościowych.

Definicja stopnia rozcieńczenia: gdzie: V - objętość krwi, V1 - objętość roztworu rozcieńczającego Rozcieńczenia mniejsze niż 1:10000 wykonuje się w dwóch cyklach rozcieńczeń pojedynczych, pobierając do drugiego rozcieńczenia objętość Vr z rozcieńczenia pierwszego: gdzie: V2 - objętość roztworu rozcieńczającego Rozcieńczenie końcowe wynosi wówczas:

Np.: Pobieramy próbkę o objętości 40 l, dodajemy 10 ml roztworu izotonicznego: Pobieramy próbkę o objętości 40 l rozcieńczenia pierwszego, dodajemy 10 ml roztworu izotonicznego : Otrzymujemy rozcieńczenie końcowe :

Dozowniki nastawne:

Proste rozcieńczanie: np Proste rozcieńczanie: np. rozcieńczenie 1:10 (1/10) surowicy wskazuje, że użyto 1 część surowicy i 9 części rozcieńczalnika (np.0,9 % NaCl). Surowica stanowi 10-tą część całości. Aby otrzymać 1 ml tak rozcieńczonej surowicy trzeba wziąć 100 µl surowicy i 900 µl roztworu soli fizjologicznej. Seryjne rozcieńczanie: może być zdefiniowane jako wielokrotne narastające rozcieńczenie, w którym otrzymujemy roztwory od najbardziej stężonego do najbardziej rozcieńczonego. Początkowo wykonujemy je tak samo jak proste rozcieńczenie a każde następne wykonujemy z uprzednio otrzymanego.

Rozcieńczenia seryjne są bardzo przydatne, gdy objętość roztworu i/lub rozcieńczalnika powinna być jak najmniejsza w otrzymanym roztworze końcowym o najmniejszym stężeniu. Na przykład, próbka surowicy może być rozcieńczona 1:2, 1:4, 1:8 następnie 1:16, 1:32 itd. Do wykonania pierwszego rozcieńczenia 1:2 nabieramy 100 µl surowicy ( lub dowolnego roztworu ) i dodajemy 100 µl roztworu soli fizjologicznej ( lub dowolnego rozcieńczalnika ). Mieszamy roztwór, a następnie pobieramy 100 µl tak rozcieńczonego roztworu do następnej probówki. Dodajemy 100 µl rozcieńczalnika, mieszamy i otrzymaliśmy roztwór rozcieńczony 1:4. Rozcieńczenie to nazywane jest często rozcieńczeniem geometrycznym.

Schemat seryjnego rozcieńczania:

Obliczanie wartości średniej: odchylenia standardowego: i współczynnika zmienności:

Przebieg procesu pomiarowego stężenia hemoglobiny i koncentracji krwinek białych w półautomacie hematologicznym:

Ze względu na stopień automatyzacji procesu pomiarowego systemy hematologiczne można podzielić na: - półautomaty hematologiczne, składające się z dwóch urządzeń: układu rozcieńczającego i jednostki pomiarowej, - automaty hematologiczne, w których układ rozcieńczający i jednostka pomiarowa stanowią całość funkcjonalną.

Analizator hematologiczny 22/20/Vet Clindiag Systems http://www Analizator hematologiczny MEK-8222 5-DIFF z podajnikiem http://www.nihonkohden.com