[发明专利]流体性质测量装置和方法

说明书

本文公开了用于在一个或多个时间点测量流体样本的一种或多种性质或性质的变化的装置。该装置可包括：限定该装置的内部体积的腔室，该腔室适合于接收并保持该流体样本；多个层，所述多个层包括在该腔室下方的至少一个底层和在该腔室上方的至少一个衬底层，其中：该衬底层在其长度的每一端连接到至少一个悬梁；该悬梁位于该腔室上方，该悬梁具有能够与该流体样本物理接触的面；并且该悬梁被配置为在向至少一个穿过该悬梁的导电路径施加致动信号时振荡。还公开了相关的方法和用途。

本申请要求于2019年2月4日提交的美国临时专利申请62/800,704的权益，该临时专利申请以引用方式并入本文。

本发明涉及流体性质测量装置、方法和系统，例如流体样本的粘度、流体样本本体相的粘度、流体样本连续相的粘度、流体样本的粘弹性、流体样本的密度、血液样本的血浆粘度、血液样本的全血粘度、血液样本的粘弹性、血液样本的密度、血液样本的血细胞比容、血液样本的血小板计数、血液样本的凝血时间、血液样本的血凝块硬度、血液样本的血小板收缩活性、血液样本的纤维蛋白溶解活性、血液样本的凝血因子浓度、血液样本的凝血因子活性、血液样本的血液成分浓度、血液样本的血液成分活性、血液样本中抗凝剂的类型以及血液样本中抗凝剂的浓度。

粘度计通常通过测量达到指定剪切速率所需的力来推导出流体的粘度和/或粘弹性(例如，Wells-Brookfield，cone-plate type viscometer)[1]。由于成本、空间要求和其他先决条件(例如，无振动安装)，传统的实验室粘度计通常不利于便携式和在线测量粘度和粘弹性。此外，此类装置的样本处理通常涉及手工劳动，而且往往既耗时又容易出错。

基于振动阻尼的传感器尺寸小，可用于小样本量的流体性质测量。当暴露于流体中时，基于振动阻尼的传感器会在介质中感应声振动场，从而产生可通过电子、光学等方式测量的粘度或粘弹性修正的阻尼或流动。当传感器的振动对应于传感器的谐振振荡时，可使用谐振的品质因子、谐振频率和/或谐振运动振幅以及其他变量来测量振荡的阻尼。此类传感器的示例包括微声传感器，如石英厚度剪切模式谐振器(TSM)[2]和表面声波(SAW)装置，它们已成功用作传统粘度计的替代物[3]。这些装置通常在相对较高的频率和较小的振动振幅下测量粘度，这可能会导致明显的缺点。由于这些传感器的振动频率f很高，因此它们激发的声场的穿透深度(其中η是流体粘度，ρ是流体密度，并且f是频率)很小，因此只能探测到靠近装置的液体薄膜。因此，对于非牛顿流体，包括但不限于那些含有离散组分/添加剂的流体，结果可能显示出与传统粘度计测量结果的显著偏差。

全血粘度(WBV)是衡量大量血液在血管中流动的内在阻力的总体指标，由血细胞流变学、血浆粘度(PV)和血细胞比容之间的相互作用决定，可被视为循环功能的标志。其主要决定因素是红细胞的体积分数(血细胞比容或Hct)、血浆粘度(主要由血浆纤维蛋白原、其他生物反应物球蛋白和脂蛋白决定)、红细胞变形(在高流量/剪切条件下)和导致凝血/凝固的红细胞聚集(在低流量/剪切条件下)[4,5]。已经表明，普通人群中血液粘度水平的增加可能会通过其对动脉粥样硬化、血栓形成或动脉粥样硬化血栓形成性狭窄或闭塞远端缺血的潜在流变学效应来促进心血管事件[4,6]。流行病学研究已将高血液粘度与男性、吸烟、血压和血脂/脂蛋白等传统危险因素联系起来[5,7]。一项对1592名男性和女性的随机人群进行的平均随访时间超过5年的研究表明，在调整年龄和性别后，经历缺血性心脏病发作和中风的患者的平均血液粘度高于那些没有经历缺血性心脏病发作和中风的患者[8]。在针对舒张压、低密度脂蛋白(LDL)胆固醇和吸烟进行校正后，血液粘度(和经血细胞比容校正的血液粘度)之间的联系仅对中风显著(p0.05)。一项对331名中年高血压男性(平均随访时间为4.8年)的前瞻性研究显示，舒张压血液粘度最高的前三分之一患者心血管事件风险增加[9]。此外，2型糖尿病的发病率与WBV之间存在很强的相关性，并且血浆高粘滞综合征的预测和镰状细胞病的预后与血浆粘度之间也存在很强的相关性。