糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王云光，杜海濤，王文霞，張超

（1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093； 2.上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校 醫(yī)用電子信息系，上海 200093）

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王云光1、2，杜海濤1，王文霞2，張超1

（1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093； 2.上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校 醫(yī)用電子信息系，上海 200093）

針對基于離子交換色譜法的糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)，提出了一種控制系統(tǒng)方案，并重點(diǎn)對其控制軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了開發(fā)效率?？刂栖浖糠纸o出了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的連接、串行接口的通訊、數(shù)據(jù)結(jié)果的采集和曲線繪制等。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)性能可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足用戶日常檢測的需要。該方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也為后續(xù)的嵌入式開發(fā)和其他相關(guān)儀器的研發(fā)奠定了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)；糖化血紅蛋白；色譜分析法；醫(yī)療檢驗(yàn)設(shè)備

0 前言

糖尿病(Diabetes Mellitus，DM)是由于人體內(nèi)胰島素缺乏或相對缺乏所致的一種慢性內(nèi)分泌代謝性疾病，以糖代謝紊亂為突出表現(xiàn)，未治療狀態(tài)下，以高血糖為主要特征，并伴有蛋白質(zhì)及脂肪代謝異常[1]。目前糖尿病已成為一種嚴(yán)重影響人類健康的疾病，根據(jù)世界衛(wèi)生組織官方預(yù)計(jì)，至2030年中國糖尿病患者將超過4千萬，全世界將達(dá)到3.66億[2、3]。臨床上已廣泛開展檢測患者血糖的工作，但由于血糖僅能反映某一具體時(shí)間的血糖水平，容易受到進(jìn)食和糖代謝等相關(guān)因素的影響，所以并不能作為評價(jià)疾病控制程度的指標(biāo)。

糖化血紅蛋白(Glycosylated Haemoglobin, GHB)指標(biāo)能夠反映測定前120天（即紅細(xì)胞生命期）內(nèi)平均血糖水平，相比于血糖監(jiān)測，更能作為血糖控制的長期評估標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已成為了糖尿病監(jiān)測的“金指標(biāo)”，并且該指標(biāo)獲得了美國國家糖化血紅蛋白標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目(National GlycohemoglobinStandardization Program, NGSP)的極力推薦和認(rèn)可[4]。本文所研究的糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)采用低壓液相的生化分析方法，對糖化血紅蛋白中的各組分進(jìn)行全自動的處理與分析，并最終達(dá)到檢測各指標(biāo)的目的。

1 基本原理

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)的分離部分采用了低壓離子交換層析技術(shù)與梯度洗脫技術(shù)相結(jié)合的色譜分析方法，從經(jīng)溶血處理的全血中分離出血紅蛋白亞基及變異體。低壓離子交換技術(shù)是使用表面有離子交換基團(tuán)的離子交換劑作為固定相，不同離子與交換基的作用力大小不同，在樹脂中的保留時(shí)間長短不同，從而被相互分離。梯度洗脫技術(shù)主要是通過改變流動相中各溶劑組成的比例來改變流動相的極性，使樣品中的所有組分可在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳分離[5]。糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)采用二者相結(jié)合的方法，使得糖化血紅蛋白中的各組分能夠得到最佳的分離效果。

圖1 糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)的檢測部件屬于光學(xué)式分析系統(tǒng)，采用的是紫外/可見光(UV/Vis)檢測器，又稱為吸光光度檢測器，是通過測定物質(zhì)在流動池中吸收紫外/可見光的大小來確定其含量的。其定量分析的基礎(chǔ)是朗伯-比耳定律，表達(dá)式如下：

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的光、機(jī)、電一體的常用醫(yī)療檢驗(yàn)設(shè)備，它主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。其中控制系統(tǒng)是整個(gè)儀器的核心。如圖1所示。

進(jìn)樣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)樣品流動過程的進(jìn)行，包括吸樣、排樣和清洗等；反應(yīng)系統(tǒng)是利用離子交換層析和梯度洗脫的技術(shù)對樣品進(jìn)行檢測前的預(yù)處理；檢測系統(tǒng)是對離子交換層析后的各物質(zhì)進(jìn)行吸光度的測定。

控制系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，分為控制硬件和軟件兩部分。之所以采用這種設(shè)計(jì)，主要是考慮到PC屏幕顯示的優(yōu)越性、單片機(jī)開發(fā)的高效性以及模塊化設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。需要指出的是，這種設(shè)計(jì)方案主要是前期驗(yàn)證性開發(fā)的需要，并不是糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終方案。其中，軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面以及對硬件的控制，硬件主要負(fù)責(zé)對步進(jìn)電機(jī)、蠕動泵、樣品閥、比例閥、注射器等機(jī)械部件進(jìn)行控制，對光電檢測信號進(jìn)行處理。

3 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

硬件電路采用的是C8051F060控制芯片，該控制芯片功能強(qiáng)大，其特點(diǎn)主要有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）；兩個(gè)16 位、1 Msps 的ADC，并且?guī)в蠨MA(Direct Memory Access, 直接存儲器存取) 控制器；豐富的數(shù)字I/O 引腳(59個(gè))；4352（4K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲器；5 個(gè)通用的16 位定時(shí)器；兩個(gè)UART 串行接口等[6]?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，檢測器輸出的模擬量通過C8051F060的ADC0(模數(shù)轉(zhuǎn)換0通道)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，數(shù)據(jù)采集時(shí)利用C8051F060集成的DMA控制器直接讀入單片機(jī)的內(nèi)存。DMA是一種不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。其優(yōu)點(diǎn)是其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要CPU的干涉，可以大大提高CPU的工作效率。DMA接口與ADC0和ADC1協(xié)同工作，將ADC輸出直接寫入指定的XRAM(Expanded RAM, 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器)區(qū)域。利用軟件通過使用特殊功能寄存器來配置DMA接口。通過DMA控制邏輯來訪問指令緩沖器，從ADC獲取數(shù)據(jù)，并控制將數(shù)據(jù)寫入XRAM。DMA指令告訴DMA控制邏輯從哪個(gè)ADC讀取結(jié)果，但并不啟動ADC轉(zhuǎn)換。DMA控制流程如圖3所示。

圖3 DMA控制流程圖

4 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

4.1 底層軟件的設(shè)計(jì)

圖4 底層軟件結(jié)構(gòu)

MCU(Micro Controller Unit,微控制器)系統(tǒng)控制器的內(nèi)核是CIP-51微控制器。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x 的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)[6]。底層軟件主要通過C語言和匯編語言相結(jié)合的方式來控制硬件，控制系統(tǒng)底層軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要函數(shù)及功能如表1所示。

表1 底層軟件函數(shù)名稱及功能

4.2 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)要考慮到兩方面的因素：一是要有良好的界面，使得用戶能夠進(jìn)行直觀、高效的操作；二是要保證與硬件之間進(jìn)行有效的通訊和傳輸?；谶@兩個(gè)因素，選擇了Microsoft公司的Visual Basic 6.0 開發(fā)工具（簡稱VB）。首先，VB的易用性使其成為了世界上使用最為廣泛的程序設(shè)計(jì)語言之一；其次，VB所自帶的MSComm串口控件，可以方便地實(shí)現(xiàn)串口的通訊；同時(shí)，VB與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫的完美結(jié)合，使得數(shù)據(jù)的管理變得易于操作。

4.2.1 人機(jī)交互界面功能需求

控制軟件主流程為：由用戶輸入或條形碼掃描輸入ID號(病人編號)，點(diǎn)擊運(yùn)行樣本后，進(jìn)行檢測，將檢測得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，而后對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果顯示并存儲，最終生成報(bào)表并打印。基于此主流程，控制軟件要具有用戶輸入病人信息界面、檢測過程數(shù)據(jù)和繪圖的顯示、數(shù)據(jù)的打印和檢索、工程師維護(hù)菜單以及接口通訊等功能。

4.2.2 人機(jī)交互界面總體設(shè)計(jì)

圖5 人機(jī)交互界面菜單的結(jié)構(gòu)示意圖

基于軟件功能需求，將控制軟件分為樣本運(yùn)作、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)設(shè)置、工程師維護(hù)等4大模塊，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2.3 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.2.3.1 輸入病人信息

用戶通過交互界面手動或條形碼掃描進(jìn)行病人信息的輸入，接著，控制軟件通過與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫的連接，將輸入的信息保存到數(shù)據(jù)庫中。與數(shù)據(jù)庫連接的部分代碼如下：

4.2.3.4 曲線的繪制和顯示[8]

PC在接收到數(shù)據(jù)后，利用VB的Picture控件及其Line方法，可將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，并通過相應(yīng)的積分和比例計(jì)算，得出最后的結(jié)果。限于篇幅，在這里只給出主要流程圖，如圖6所示。根據(jù)此流程圖，可得到曲線繪制界面。

5 結(jié)論與展望

糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。經(jīng)過長時(shí)間的研制與開發(fā)，該軟件設(shè)計(jì)方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)解決了工程中的許多問題。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)測試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足用戶日常檢測的需要。

圖6 曲線繪制流程圖

然而，模塊化設(shè)計(jì)的方法，雖使得開發(fā)進(jìn)度較快，并且提高了檢測系統(tǒng)的自動化程度和各模塊的運(yùn)行效率，降低了故障率，但采用軟硬件分離的方法，不利于系統(tǒng)的集成，若僅采用單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，則圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)較為困難，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)的支持較差。針對此問題，本實(shí)驗(yàn)室正在利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行糖化血紅蛋白檢測系統(tǒng)的二次開發(fā)。因此，本方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為后續(xù)的嵌入式開發(fā)奠定了良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

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Design and Implementation of Control Software in Glycosylated Haemoglobin Detection System

WANG Yun-guang1,2, DU Hai-tao1,WANG Wen-xia2, ZHANG Chao1
(1. School of Medical Instrument and Food Engineering ,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. Medical Electronic Information Department, Shanghai Medical Instrument College,Shanghai 200093,China)

According to the glycosylated haemoglobin detection system based on ion-exchange chromatography,this paper puts forward a scheme of control system, and then detailed description of control software is presented.The modularization design of the detection system improves the development efficiency. The design structure and key program is given in the part of control software; database connection, serial interface communication, data acquisition and curve drawing is also realized in this part. The testing results indicate that the system performance is reliable,and all indexes can meet requirements of routine testing.The design and implementation of this scheme also lays a theory and practice foundation for the further embedded development and the related instrument research.

glycosylated haemoglobin detection system;glycosylated haemoglobin; chromatographic method;medical inspection equipment

TP311.52

A

1674-1633(2010)01-0019-04

2009-07-15

2009-10-21

本文作者：王云光，副教授，碩士生導(dǎo)師。

作者郵箱：dhttony@yahoo.com.cn