رويكرد جديد به اندازه گيري  ويسكوزيته ي خون

مقدمه

در تحقيقات پزشكي ، تركيبات شيميايي خون مثل سطح كلسترول و ترمي گليسيريد به طور خاص مورد توجه قرارگرفته وبا بيماري هاي مختلف قلبي و عروقي ارتباط داده مي شود .در حاليكه تركيبات شيميايي خون داراي اهميت مطلق هستند اما تحقيقات نشان داده كه ويژگي هاي فيزيكي مثل ويسكوزيته نيز ممكن است نقشي حياتي در پيشبيني بيماري هاي احتمالي باز ي كند .ويژگي هاي فيريكي خون ، تاثير مستقيمي برجريان خون دارند و جريان كافي خون براي سلامت تمام اندام ها ضروري است .از آنجاكه خون اكسيژن ومواد غذايي مورد نياز براي سلول هاي زنده رافراهم كرده و محصولات دفعي سلول ها را خارج مي كند ،وقتي جريان خون به هرنحوي با مانع روبرو مواجه شود مشكلات پزشكي به وجود مي آيد كه اين مشكلات دردامنه اي بين حملات قلبي وسكته تا بيماري كليوي و كوري قرار دارد .شايد فرآيند پيري نيز به طور كلي تحت تاثير قرار گيرد.

يك روش جديد براي اندازه گيري ويسكوزيته توسط كنزي پيشنهاد شده كه از يك لوله مويرگي براي اندازه گيري كل ويسكوزيته خون در ميزان برشهاي متفاوت بدون استفاده ازمواد ضد انعقاد خون استفاده مي كند .دستگاه اودرشركتهاي دارويي و تحقيقات پزشكي كه رابطه بين ويسكوزيته و بيماري هاي مختلف را بررسي ميكنند به فروش ميرسد.

روشي كه ما پيشنهاد مي كنيم يك محصول تحقيق محور نيست بلكه يك ابزار تشخيصي كاربردي است .مالوله مويرگي رابه يك متيلر آزاد تغيير ميدهيم كه قابليت اندازه گيري ويسكوزيته خون در ميزان هاي برشي متفاوت را از بين ميبرد اما سيستم جابه جايي خون را حفظ مي كند كه قابليت انطباق زيستي دارد و نياز به مواد ضد انعقاد خون ندارد .

ماانتظار توليد مقرون به صرفه ي دستگاهي راداريم كه قادر به انجام سريع آزمايشات ويسكوزيته خون مي باشد.

درمورد وابستگي كمي بيماريهاي مختلف به سطح ويسكوزيته خون تحقيقات زيادي انجام نشده با اين حال مي توانيم پيشبيني كنيم كه آترواسكلرفر،سكته و حملات قلبي و بيماري هاي كليوي در آينده ي نزديك با كنترل ويسكوزيته ي خون ،تحت كنترل قرار گيرند .

اندازه بازار تخمين زده شده

طبق اعلام بانك جهاني،حدود 60ميليون مرگ ومير در سراسر جهان در دهه ي 1990 وجود داشته كه قابل انتساب به بيماري هاي قلبي عروقي است و برخلاف ديدگاه بسياري انتظار ميرود كه اين مرگ ومير ها به افزايش خود ادامه دهد .به علاوه حدود 60 ميليون نفر وجود دارند كه از حداقل يك شكل از بيماري ها ي قلبي عروقي در ايالات متحده رنج مي برند .مجموع هزينه ها در ايلات متحده براي سيستم تشخيص در آزمايش خون انتظار ميرود كه از 300ميليون دلار فراتر رود. يك تحقيق نشان مي دهد كه آزمايش مرتب تر مي تواند ميزان بروز بيماري هاي قلبي عروقي را ار 12 تا 14 درصد و در هر بيمار به طور سالانه به كمتر از 2درصد در هر بيمار به طور سالانه برساند.

طبق اعلام انجمن قلب آمريكا اگر به خاطر افزايش ميزان عوارض جانبي جاري ، وارفاين تجويز نمي شود ، از 40 هزار سكته ي مغزي در هر سال در ميان بيماران مبتلا به فيبريلاسيون بطني در ايالات متحده جلوگيري مي شد تنها اگر وارفاين به خاطر ميزان عوارض جانبي مشخص شده تجويز نمي شد. نوارهاي تست رايج به قيمت 50/4 دلار يك اندازه گيري 750دلار است بنابراين اگر ويسكومتر خون ما بتواند يك آزمايش سريع را انجام دهد و ويژگي هاي آسان براي استفاده با پيشنهاد تست هاي معمول پزشكي داشته باشد {يك بار در هفته(شركت آووست مديكال)} يك بازار بالتوه در بازار آزمايش خون براي آن وجود دارد (17ميلياردبازار).

تئوريهاي عملكرد

ميرايي يا استهلاك در يك ساختار ،توانايي آن ساختاربراي پراكنده كردن انرژي و در نتيجه كاهش دامنه ارتعاش وتغيير مكان فركانس طبيعي است.ميرايي در يك ساختار به خاطر حركت ديناميكي مايع ،پراكندگي چسبندگي(ميرايي مايع)،اصطكاك و فشار ميان بخشي از ساختار(ميرايي ساختاري) پراكندگي انرژي داخلي ماده ها(ميرايي ماده)مي باشد.در يك مدل ديناميكي مايع،ميرايي،پراكندگي انرژي توسط چسبندگي و كشش فشار به خاطر حركت ساختار مربوط به مايع مي باشد.ضريب كلي ميرايي مجموع ميرايي مايع، نيرايي ساختار وميرايي ماده است.در ارتعاش القايي در اثر جريان ،ميرايي توسط مؤلفه ي ميرايي مايع بر ضريب كلي ميرايي از عامل ميرايي به دست مي آيد كسري از مجموع انرژي ارتعاشي است كه در يك چرخه ميرا شده است.

پركاربرد ترين و عملاً مفيدترين مدل براي تيروهاي ميرا درساختار ها، ميراگر واقعي است .اين ميراگر داراي حركت ساختاري بايك نيروي تناسب باسرعت است :

1)     فرمول

كه در آن ،جابه جايي ساختار است ، يك ثابت است بانيرو براي هرواحدسرعت است و نيرويي ميرايي است.

ارتعاش دريك مايع ،توسط چسبندگي محيط با مايع مي ميرد. ميرايي درنتيجه برش چسبندگي مايع در سطح ساختار و جداسازي جرياني است .نيروي كششي در هر واحد طول كه بر ساختار وارد مي شود چنين است :

2)     فرمول

كه در آن چگالي مايع است ، ديمانسيون مشخصه اي است كه درنيروي كشش غيرديمانسيوني شده ، استفاده شده ، ضريب كشش ،  سرعت نسبي ميان ساختار و بدنه مايع است .براي يك مايع ساكن كه درنقشه ي حسگر قرار دارد، نتيجه ي حركت ساختار به تنهايي است،  ومعادله حركت چنين است:

3)     فرمول

جرم هر واحد طول m شامل اثر جرم افزوده و عامل ميرايي ساختاري است كه بايد در زمان عدم حضور مايع اندازه گيري شود .اين معادله غيرخطي رامي توان براي به دست آوردن فاكتور ميرايي مايع، حل كرد .اگر حركت ساختاري با دامنه هماهنگ باشد          ، آنگاه اصطلاح غير خطي در طرف راست معادله(6) در يك سري "فوريير" بسط  داده مي شود.

4)     فرمول

بنابراين ما معادله حركتي زير را داريم:

5)     فرمول

كه دلالت بر سهيم بودن مايع درميرايي ساختاري دارد:

6)     فرمول

اين معادله ،ميرايي مايع ساكن رابه ازاي يك ضريب كششي معلوم به ما ميدهد ضريب كششي در سال 1843 توسط "استوكس" به دست آمد:

7)     فرمول

بنابراين ،ضريب ميرايي مايع ورقه اي مي تواند با فرمول زير تقريب زده شو د :

8)     فرمول

سپس ميرايي مايع با ريشه مربع ويسكوزيته M متناسب مي شود.بر اساس ضريب ميرايي مايع و چشم پوشي از ميرايي ساختار، اوج دامنه ازتعاشي ، چنين است:

9)     فرمول

كه در آن F نيروي محركه ساختار مكانيكي است ،h طول ساختار فرورفته در مايع است وL طول ساختار است.

براي اندازه گيري جابه جايي ،ما فرض مي كنيم دو روش براي مشخص كردن آن وجود دارد .يكي اين كه فيلم pzt راروي ميله بكشيم به عنوان كشش سنج كه مي تواند در همان تراشه و در طول مدار مربوطه قرار گيرد.اما ما نگران حساسيت اين ابزار پيزوالكتريك هستيم زيرا جا به جايي بايد در حدوده زير ميكرون باشد(بستگي بع ضخامت و طول فيلم نازك pzt دارد.)

شيوه ديگر مشخص كردن تغيير مان پرتو ليزر منعكس شده از سطح ميله آزاد است شبيه آنچه كه در ميكرومتر بانيروي اتمي تعبيه مي شود،انحراف توسط نسبت فاصله از ميله تا ديتكتور وتاخود انحراف ، بزرگ مي شود.بديهي است كه در اين مورد ما  بايد ابزار ديگر را سوار كنيم و اين كار هزينه رابراي ما به مقدار زيادي افزايش مي دهد.

ارزيابي عملكرد حسگر

در اين بخش، ما از "مدل مدار توده اي " استفاده مي كنيم  تا فركانس همنوا را محاسبه كنيم همچنين ضريب كيو و ضريب ويسكوزيته را. همچنين چندين شيوه ديگربراي برخورد با اين مسأله وجود دارد اما به طور مشخص مدل مدار توده اي يكي از راحت ترين و سريع ترين شيوه هاست .

1.     فركانس همنوا

ازمدار سازه توده اي با 8 چنين حاصل مي شود كه مجموع مقاومت ظاهري (امپرانس) براي اين مدار سري چنين است:

10)فرمول

رزنانس سري زماني كه جزء انگاري مساوي صفر شود، اتفاق مي افتد ، بنابراين

11)فرمول

با طرح مجدد (11)در حوزه مكانيكي داريم:

12)فرمول

براي ميله چهارگوش داريم :

13)فرمول

با جانشيني در(13) ما فرمول زير را به دست مي آوريم:

14)فرمول

2.     ضريب كيوQ

ضريب كيو در يك مدار رزنانس سري به عنوان نسبت توان هرز(غير فعال) القاگر يا مخازن به توان متوسط مقاوم در زمان رز نانس است كه چنين است:

Q=(توان هرز/توان متوسط) و در نتيجه:

15)فرمول

و مجدداً در حوزه مكانيكي:

16)فرمول

4.     تعيين C_F

بامقايسه ضرايب Q كه در مايع و در هوا اندازه گير شده ، داريم :

17)فرمول

از (13) ميتوانيم به دست آوريم كه :

18)فرمول

سپس با مجدد نوشتن (17) داريم :

19)فرمول

اكنون با اندازه گيري اين داده ها در هوا و مايع ، مي توانيم ........ ،...... و ‍Cs را بدانيم .بنابراين با استفاده از (19) مي توانيم مقدار C_Fرا محاسبه كنيم .

4.     بحث

از (15) و(17) ، ضريب Q مي تواند به اين شكل بيان شود :

20)فرمول

از آنجا كه Ma از M كمتر است بنا براين مي توانيم از Ma  چشم پوشي كنيم .

به علاوه ، با جايگزيني  در فرمول (20) ، داريم :

21)فرمول

در نتيجه ما بايد يك ميله آزاد ضخيم تر ،پهن تر و كوتاه هتر طراحي كنيم تا از نويز(اختلال ) در طول دريافت جلوگيري كنيم .

نتيجه

يك راه جديد براي اندازه گيري ويسكوزيته خون ، استفاده از ميله آزادي است كه آماده مي شود. حسگر نيز با تجزيه تحليلي نظري ،عملي مي شود . تكنيك اندازه گيري حسگر بر اساس دانشي است كه ما از كلاسمان به دست مي آوريم. اما موضوعات مهم ديگري نيز هستند كه قبل از اين كه تكنيك بتواد يك راه حل عملي براي روشهاي ايجاد شده گردد ، بايد مشخص شوند.