基于光學(xué)比濁法的血凝檢測(cè)系統(tǒng)

宋麗亞,周 圍,吳 燕

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院電子通信實(shí)驗(yàn)中心,河北石家莊 050035;2.河北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)研究所 ,天津 300130)

基于光學(xué)比濁法的血凝檢測(cè)系統(tǒng)

宋麗亞1,周 圍2,吳 燕1

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院電子通信實(shí)驗(yàn)中心,河北石家莊 050035;2.河北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)研究所 ,天津 300130)

主要介紹了基于雙光束比濁法的血凝檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用價(jià)值,整體陳述了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于LabV IEW的軟件系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)。血凝雙光束檢測(cè)系統(tǒng)具有不破壞纖維、不受自然光干涉影響、可捕捉凝固過(guò)程的細(xì)微變化、精度高、準(zhǔn)確性較好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)血液的大部分檢測(cè)項(xiàng)目都可進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了中國(guó)醫(yī)學(xué)血凝檢測(cè)技術(shù)水平的提高。

血凝檢測(cè)系統(tǒng);光學(xué)比濁法;恒溫;虛擬儀器

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)步,血栓與止血相關(guān)的檢驗(yàn)是近年來(lái)臨床血液學(xué)發(fā)展最快的領(lǐng)域,對(duì)檢測(cè)手段的要求也越來(lái)越高,許多新的凝血、抗凝、纖溶因子抑制物的發(fā)現(xiàn)及檢測(cè)方法的建立、自動(dòng)化儀器的普及和試劑的商品化開(kāi)發(fā),帶動(dòng)了血栓與止血檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,利用凝血儀進(jìn)行血栓與止血的實(shí)驗(yàn)室檢查,成為了臨床血液學(xué)檢驗(yàn)的新亮點(diǎn)。

1 光學(xué)比濁法血凝檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

改善傳統(tǒng)凝血儀檢測(cè)項(xiàng)目較少的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)一種能對(duì)多種凝血項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)的智能化儀器,是本設(shè)計(jì)重要特點(diǎn)之一[1-3]。

本設(shè)計(jì)將完成10余種凝血項(xiàng)目的檢測(cè),如圖1為裝置總體示意圖,運(yùn)用能發(fā)射紅光和藍(lán)光的雙光束二極管為恒定光源,光束通過(guò)裝有血漿的試管,在試管另一端有硅光電池接收光信號(hào)。在保持血漿活性的37℃恒溫環(huán)境下,在血漿內(nèi)加入凝結(jié)劑,同時(shí)為保證凝結(jié)劑與血漿混合均勻,通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)使試管內(nèi)攪拌子在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。血漿由于發(fā)生一定的理化反應(yīng)而凝結(jié),光信號(hào)也會(huì)隨之發(fā)生改變。硅光電池將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),記錄器將采集的電信號(hào)記載,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可得到需要的信息[4-5]。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖1 裝置總體示意圖Fig.1 Basic demonstration of the equipment

2.1 檢測(cè)電路

本系統(tǒng)用發(fā)光二極管作為發(fā)射光源,硅光電池作為接收器,在發(fā)射接收過(guò)程中勢(shì)必受到外界雜光和環(huán)境的干擾,而光的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果又會(huì)有很大的影響,為了避免雜光影響,則需對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制中的載波信號(hào)由振蕩電路產(chǎn)生。正弦振蕩波經(jīng)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)后進(jìn)入滯回比較器產(chǎn)生方波,作為下一步調(diào)制電路的載波信號(hào)和解調(diào)信號(hào),如圖2所示。

硅光電池接收光,將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化再通過(guò)電路進(jìn)行 I/V轉(zhuǎn)換,通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換器把輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之成線性關(guān)系的輸出電壓信號(hào),然后采用精密整流型相敏檢波電路,從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào),最后利用低通濾波電路來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波放大,而后成為可輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的信號(hào)。

光的發(fā)射與接收裝置如圖3所示。D/A給出發(fā)光二極管5 V電壓,每路有2個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián),1個(gè)發(fā)紅光,1個(gè)發(fā)藍(lán)光。每次實(shí)驗(yàn),根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目選擇紅光或藍(lán)光,每次一路只有1個(gè)二極管亮,由軟件根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目控制哪個(gè)燈亮。

光路圖如圖4所示。光通道直徑5 mm,接收器面積為5 mm×5 mm,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不管開(kāi)始凝結(jié)發(fā)生在試管內(nèi)的哪個(gè)部分,接收器都能接收到凝結(jié)部分的變化并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞出去,這使得系統(tǒng)捕捉凝聚信息的能力增強(qiáng),因此接收器的精度和靈敏度都很高。由于在設(shè)計(jì)中有調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié),所以雜光本身不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

接收部件與發(fā)射部件要保持平行,保證光電發(fā)射與光電接收的光軸一致。由檢測(cè)的工作原理可知,為了保證4個(gè)檢測(cè)通道檢測(cè)的一致性,要求4個(gè)發(fā)射部件的性質(zhì)相同,光強(qiáng)一致,同時(shí)4個(gè)接收部件的接收面積相同,這就要求4個(gè)發(fā)射和接收部件定位精度高,這是非常重要的,它將直接影響檢測(cè)的重復(fù)性、一致性。如果接收部件與發(fā)射部件相偏離,試管內(nèi)的一部分凝聚信息將無(wú)法被捕捉,直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 實(shí)際光路圖Fig.4 Fact chart of light route

本儀器采用光學(xué)法進(jìn)行檢測(cè),接收器件使用的是硅光電池,它對(duì)光線特別敏感,所以安裝發(fā)射和接收器件的零件一定要采用黑色陽(yáng)極氧化工藝。同時(shí)光軸要位于試樣中心,這樣雜光的影響才能夠降到最低,可以有效捕捉試管內(nèi)的信息。由于發(fā)光二極管和硅光電池的安裝位置直接對(duì)使用試劑與血漿用量有影響,所以應(yīng)保證檢測(cè)液面高于它們,才能使得檢測(cè)準(zhǔn)確。為了節(jié)約試劑的使用量,應(yīng)盡量使其向下放置(但同時(shí)試管的底部還裝有攪拌子,放置的位置應(yīng)該閃過(guò)攪拌子)。

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用N I公司的LabV IEW軟件平臺(tái),使用圖形化編程語(yǔ)言完成對(duì)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的監(jiān)控,同時(shí)記錄下整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行分析和處理,得出檢測(cè)結(jié)論,同時(shí)將患者的資料和檢測(cè)結(jié)果保存下來(lái)以便日后查找。LabV IEW軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和與儀器間的通信功能,而且具有良好的人機(jī)交互界面,能夠很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6]。

本系統(tǒng)軟件主要有2個(gè)線程:一個(gè)是信號(hào)采集與控制線程,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字 I/O控制與采集卡交換信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集與控制;另一個(gè)是檢測(cè)線程,該流程完成測(cè)量設(shè)置、血液檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)和病例檢索,質(zhì)量控制,參數(shù)設(shè)置這幾項(xiàng)功能。在系統(tǒng)初始化后,這2個(gè)線程單獨(dú)運(yùn)行,如圖 5所示,它們通過(guò)全局變量實(shí)時(shí)交換信息,雙線程設(shè)計(jì)思想的優(yōu)勢(shì)是靈活性和可移植性,如果采集卡更換,則檢測(cè)部分不受影響,只需要在信號(hào)采集與控制流程中更改相關(guān)參數(shù)即可。

檢測(cè)程序可進(jìn)行4種不同項(xiàng)目的檢測(cè),不同試劑的檢測(cè)方法類似,但所要求的發(fā)光光源波長(zhǎng)不同,因此檢測(cè)過(guò)程中需要隨著檢測(cè)項(xiàng)目的不同而改變發(fā)光光源,測(cè)量設(shè)置模塊主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。這4個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立,可以根據(jù)需要檢測(cè)的項(xiàng)目選擇不同的模塊。

圖5 操作軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Framework of software

4 數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)采集信號(hào)后,由于硬件電路濾波后得到的信號(hào)仍然不符合要求,所以要用軟件進(jìn)一步濾波。首先是在采集流程中進(jìn)行濾波,然后在各檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行濾波。本流程的濾波采用的是模擬二階巴特沃斯低通濾波器。濾波后為了消除二極管電壓漂移的影響進(jìn)行歸一化。接著數(shù)據(jù)暫存全局變量以備檢測(cè)線程時(shí)調(diào)用,然后開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集。

采集結(jié)束時(shí),按照最后一路采集夠規(guī)定點(diǎn)數(shù)后停止采集。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到需要的結(jié)果。在凝血4項(xiàng)檢測(cè)中,主要是求得凝血時(shí)間,即曲線下降的拐點(diǎn)。首先是濾波,采用三階切比雪夫低通濾波,在保持原有波形不變的情況下有效濾除噪聲。然后去掉開(kāi)始10個(gè)點(diǎn),避免加樣時(shí)液面不穩(wěn)和濾波對(duì)開(kāi)始時(shí)刻的誤差。尋找拐點(diǎn)的方法是設(shè)一個(gè)門(mén)值,當(dāng)差分值一旦大于門(mén)值,確定此點(diǎn)為拐點(diǎn)。差分結(jié)束后是疊代法濾波,運(yùn)用式(1)把差分值進(jìn)行平滑處理,

然后是確定門(mén)值,這里的門(mén)值是最大差分值與最小差分值相減后得到差的1/2,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),這個(gè)值是合適的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示(圖中縱坐標(biāo)為約化單位)。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)完成了對(duì)光學(xué)法凝血檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,通過(guò)研究利用雙光束比濁法對(duì)凝血進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè),對(duì)開(kāi)發(fā)所使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬儀器軟件和測(cè)控硬件設(shè)計(jì)及性能參數(shù)進(jìn)行了研究、改良、優(yōu)化。本檢測(cè)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)、非接觸檢測(cè)、不受自然光干擾影響、精度高、可檢測(cè)多參數(shù)、具有很強(qiáng)的信號(hào)智能化分析處理功能等優(yōu)點(diǎn),基于LabV IEW的檢測(cè)系統(tǒng)操作靈活,性價(jià)比高,易于功能升級(jí)。

總之,該檢測(cè)系統(tǒng)的研究成功將彌補(bǔ)中國(guó)在血液檢測(cè)領(lǐng)域的空白,在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有比較高的優(yōu)越性,將進(jìn)一步促進(jìn)中國(guó)醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)的提高,有利于中國(guó)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

圖8 血小板聚集數(shù)據(jù)處理曲線Fig.8 Curve of data p rocessing

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Cruor measurement system based on op tical nephelometery

SONG Li-ya1,ZHOU Wei2,WU Yan1
(1.Experiment Center of Electronics and Communication,Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang Hebei 050035,China;2.Research Institute of Modern M easurement and Control Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

This paper mainly describes the basic p rincip les,design methods and using value of two-beam coagulation in test of the p rojects of nephelometery.The design of hardware structure,software system based on LabV IEW and key technology were all stated in thispaper.Double-beam detection system of cruo r does not undermine the fiber,but can avert interference effectsof natural light,capture the subtle changes in the solidification p rocess,and guarantee high p recision and good accuracy,etc.Most of the blood test item s can be detected.The research in the detection system has p romo ted themedical detection technology.

cruor measurement system;op tical nephelometery;constant temperature;LabV IEW

TH776;R446

A

1008-1542(2010)02-0100-04

2009-06-03;責(zé)任編輯:陳書(shū)欣

宋麗亞(1980-),女,河北保定人,講師,碩士,主要從事光檢測(cè)方面的研究。