凝血過程參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

廉小親，沈 卓，張曉力，段振剛

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048）

0 引 言

血凝分析儀已成為臨床醫(yī)療檢測中的一種常用設(shè)備，其血凝過程是指可溶于水的纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為不能溶解于水的固態(tài)纖維蛋白的生化過程，簡單地說，該過程是一系列凝血因子連鎖性酶反應的結(jié)果［1］。整個血凝過程中包含著大量有關(guān)被檢者的病理信息，許多疾病的發(fā)生均與體內(nèi)出血指標和血栓指標有著密切關(guān)系，因此，對凝血過程的檢測、對測量結(jié)果進行準確有效的數(shù)據(jù)分析具有重大醫(yī)學價值。由于其開發(fā)周期長、科技含量高、市場準入規(guī)則復雜，目前該類產(chǎn)品的研制與銷售仍被國外大型醫(yī)療器械企業(yè)所壟斷。本文所研究的基于MC9S12XS128單片機的血凝過程參數(shù)檢測裝置可在極大降低儀器的制造成本的同時，提升檢測的準確性，為血凝儀這種高端儀器的國產(chǎn)化打下良好基礎(chǔ)。

1 血凝儀的組成和硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成框架

一套全自動的血凝分析儀由上位機系統(tǒng)、通訊轉(zhuǎn)換接口裝置及下位機系統(tǒng)三大部分組成。上位機系統(tǒng)作為下位機系統(tǒng)的管理者，通過預先制定好的通訊協(xié)議控制下位機的動作，比如光強采集、電機運動、溫度控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通訊轉(zhuǎn)換接口裝置可將上位機的網(wǎng)口通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成下位機系統(tǒng)可讀的CAN 口通訊協(xié)議。系統(tǒng)組成如圖1 所示。此外，上位機還會將接收到的數(shù)據(jù)以文本格式進行存儲，方便后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理，并依據(jù)檢測到的參數(shù)繪制成曲線，進行可視化顯示。下位機為本論文主要研究內(nèi)容，如圖1中虛線框部分所示，MC9S12XS128單片機作為控制中心協(xié)調(diào)各組成部分的有序工作。下位機部分主要包括抓手控制機構(gòu)、溫度控制機構(gòu)、樣本臂運動控制機構(gòu)、試劑臂運動控制機構(gòu)及兩個光學檢測單元［3］。本文研究的核心為兩個光學檢測單元，分別為散射光的檢測部分和透射光的檢測部分。最終以采集到的兩種光強度為基礎(chǔ)，加以數(shù)據(jù)處理算法，計算出被測血樣的凝結(jié)時間和吸光率。

圖1 系統(tǒng)組成框架

圖2 MC9S12XS128最小系統(tǒng)

1.2 硬件電路的設(shè)計

血凝儀的硬件電路主要包括單片機核心板、光學檢測單元、光電轉(zhuǎn)換及電機驅(qū)動電路。單片機核心板里裝載有各部分的控制程序及通訊協(xié)議，通過CAN 接口收發(fā)數(shù)據(jù)；光學檢測單元里有光電轉(zhuǎn)換電路，該部分電路可以將光信號轉(zhuǎn)變成電信號加以利用。電機驅(qū)動電路可以直接控制抓手、樣本臂和試劑臂的動作，將待測樣本放置于光學檢測單元的合適位置。

1.2.1 單片機核心板設(shè)計

本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S12XS128單片機作為控制核心。該款單片機總線速度高達40 MHz，具備128 KB的 程 序FLASH 和8KB 的 數(shù) 據(jù)FLASH 存 儲 空 間［4］具有速度快、功能強、成本低、能耗低等明顯優(yōu)勢。此外其特有的8通道的PWM 輸出口，易于實現(xiàn)電機控制，及速度達3μs轉(zhuǎn)換時間的12位精度ADC 模塊。MC9S12XS128單片機內(nèi)部包含可升級控制器局域網(wǎng)絡(luò) （MSCAN），全面支持CAN2.0協(xié)議。由于芯片僅帶協(xié)議層控制器，因此使用時需要通過一個收發(fā)器提供物理層驅(qū)動，這里選取型號為PCA82C250的CAN 總線收發(fā)器。該芯片的CANH 和CANL引腳外接一個5Ω 的電流進行限流，從而保護芯片，使其免受過流沖擊。MC9S12XS128單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1.2.2 光學檢測單元設(shè)計

光學檢測單元包括散射光檢測和透射光檢測兩部分。其中散射光檢測裝置又由反應杯托盤和金屬支架兩大塊構(gòu)成，用黑色塑料制成的托盤具有極好的遮光性，可在測試過程中有效地防止外部干擾光源進入檢測裝置；用不銹鋼材料制成的金屬支架具有較好的導熱性，可在支撐托盤的同時起到熱傳導的作用。以此同時，安裝在支架與托盤接觸的底部的加熱和測溫裝置，可幫助實現(xiàn)樣本的孵育。托盤上有若干檢測孔，離檢測孔底端4 mm 處開有直徑為3 mm 的通孔，通孔處裝有光電傳感器。進行血凝過程檢測時，應將點光源固定放置在托盤的兩側(cè)，形成對射狀態(tài)，光電傳感器與點光源軸線垂直安裝即可。透射光檢測部分構(gòu)造與散射光檢測部分類似，此處不再贅述。

1.2.3 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

散射光和透射光的檢測電路大致相同。本系統(tǒng)采用型號為S2386－44K，具有高靈敏度、低暗電流等特點的硅光電二極管作為光電傳感器。該傳感器輸出信號為電流量，其輸出的反向電流與入射光強呈線性關(guān)系。光電轉(zhuǎn)換電路的第一級須將其輸入的電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，第二級不但需要將轉(zhuǎn)變得到的微弱的電壓信號進行放大，還需要對放大后的信號進行濾波處理。本系統(tǒng)在兩級轉(zhuǎn)換電路之后，又加入了一級電壓跟隨電路，以提高輸入阻抗、降低輸出阻抗。

光電轉(zhuǎn)換部分的電路如圖3所示，電路選取的低偏置電流運放的型號為MCP602。第一級電路中，使用一個2兆歐的電阻實現(xiàn)電流－電壓轉(zhuǎn)換；兩級之間加入了一個低通濾波電路，濾除高頻噪聲的干擾；第二級為同向比例放大電路，通過選取合適的電阻值可以保證光電轉(zhuǎn)換電路的輸出量處于單片機的最佳AD采集范圍內(nèi)；第三級選取型號為AD8542的軌對軌運放，實現(xiàn)電壓緩沖。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路

1.2.4 電機驅(qū)動電路設(shè)計

血凝儀所使用的電機為兩相單極步進電機，該款電機使用型號為SLA7078MR的驅(qū)動芯片即可直接驅(qū)動。此外，可通過型號為ADG608的電子開關(guān)芯片實現(xiàn)電機驅(qū)動芯片輸出功率的調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)電路如下：將電子開關(guān)的輸出端接到驅(qū)動芯片的Ref／Sleep1端，通過單片機控制電子開關(guān)輸出參考電壓，進而控制電機的能耗和發(fā)熱量。通過控制電機驅(qū)動芯片M1、M2和M3這3個控制端可以設(shè)定細分模式，同時配合Clock端輸入脈沖即可控制電機的轉(zhuǎn)速；F／R 端則用來控制電機的正反轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動電路的設(shè)計如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件是指血凝儀中單片機核心板的軟件，該部分軟件主要實現(xiàn)光源工作狀態(tài)控制和故障檢測、電機運動系統(tǒng)控制以及血凝過程參數(shù)的采集和發(fā)送［5］。

血凝過程參數(shù)的采集包括采集散射光信號和透射光信號兩部分。本系統(tǒng)設(shè)定的采樣頻率fs在50～100 Hz之間。檢測過程中，單片機會不斷采集數(shù)據(jù)，采用均值濾波算法處理后將這些數(shù)據(jù)存儲到緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)的傳輸在定時器中斷服務(wù)子程序中進行，并通過定時器的配置，使得緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以50Hz的頻率通過CAN 通訊方式發(fā)至上位機。下位機軟件流程如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程

2.2 上位機軟件設(shè)計

上位機的開發(fā)基于Visual Studio.NET 平臺，采用C＃語言編寫，它是設(shè)備與用戶的連接的橋梁。針對上位機軟件包含功能較多、結(jié)構(gòu)較復雜的特點，可將每一個大功能模塊細分為多個子模塊，即基于模塊化開發(fā)。上位機軟件總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。下文主要介紹血凝儀下位機軟件設(shè)計，上位機軟件設(shè)計部分不再贅述。

圖6 上位機軟件總體結(jié)構(gòu)

2.3 通訊協(xié)議設(shè)計

本系統(tǒng)將上下位機通訊協(xié)議的長度設(shè)置為單個CAN 總線數(shù)據(jù)包的長度，且每一個協(xié)議命令均為8字節(jié)指令，系統(tǒng)所制定的主要協(xié)議命令如表1所示。上位機發(fā)送自檢指令后，會等待下位機進行反饋。若下位機系統(tǒng)無故障，則下位機會往上位機發(fā)送自檢正常指令，否則會發(fā)送自檢錯誤指令至上位機。下位機采集數(shù)據(jù)所使用的AD 轉(zhuǎn)換器精度為12位，因此傳輸數(shù)據(jù)時需要分兩個字節(jié)完成。為了防止錯誤解析協(xié)議命令，將傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議前6 字節(jié)固定為0xAA，命令的最后兩個字節(jié)為所要發(fā)送的AD 模塊采集到的值，如表1末行所示。

表1 上位機與下位機通訊協(xié)議

3 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計

3.1 散射光信號處理算法

散射光信號處理采用百分比檢測法，其原理為：將開始檢測時采集到的散射光強ys定義為散射光最弱值，將檢測過程完成時采集到的ys定義為散射光最強值；分別找出檢測過程中出現(xiàn)散射光強ys為最弱時的時刻和散射光強ys最強時的時刻，兩個時間間隔即血液凝固時間。

實際應用中，考慮到采集數(shù)據(jù)可能存在的誤差，往往會預先設(shè)定一個比較閾值R1、R2及時間區(qū)間閾值N1、N2。若某個ys值比它后邊的第N1個值小R1，則找到起始時刻t1；若某個ys值比它前邊的第N2個值大R2，則找到終止時刻t2；利用t1和t2容易算出凝固時間tcoa，如式（1）所示

式中：Ts——單片機預先設(shè)定的采樣周期，單位為秒。

3.2 透射光信號處理算法

血液樣本的透射光強度與溶液濃度成反比，這里使用yt來表征透射光強度值，表示在t時刻樣本的相對透光強度值。定義樣本的吸光率為rab，其表達式如式 （2）所示，單位為相對透射光強度水平值／分鐘

該部分在實際應用過程中也會設(shè)定R1、R2、N1、N2這幾個比較閾值，涉及到的其余算法與3.1 節(jié)大致相同，不再贅述。接下來，可利用采集到的t1、t2這段時間內(nèi)的透射光強度值yt，通過最小二乘法擬合出一條曲線，即yt＝kxt＋b。最 后 計 算 出k 后，通 過 式 （3）即 可 求得rab的值

3.3 數(shù)字濾波算法設(shè)計

通過單片機AD 采樣過程存有干擾信號，采集到的數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性，為了提高采樣信號信噪比，可采用數(shù)字低通濾波方法對采樣結(jié)果進行二次濾波。系統(tǒng)設(shè)計了有限長單位沖激響應濾波器 （finite impulse response，F(xiàn)IR）［6］。

理想的低通數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)如式 （4）所示

對式 （4）做離散傅立葉逆變換后得到單位樣值時域序列有

接著選取長度為N 的矩形窗函數(shù)進行設(shè)計，得到濾波器單位樣值響應如式 （6）所示，其Z 傳遞函數(shù)如式 （7）所示

令X（Z）為采樣值序列，對Y（Z）＝H（Z）X（Z）取Z逆變換，得到濾波器差分方程如式 （8）所示

式中：bk——濾波器系數(shù)，系統(tǒng)中bk取值如式 （9）所示

這里取N ＝7，fc＝80Hz，可利用Matlab計算得到數(shù)字濾波器的差分方程如式 （10）所示

最終，血凝儀上位機利用式 （10）對下位機AD 采集到的數(shù)據(jù)進行處理，便可得到一平滑的輸出序列。

4 測試結(jié)果

測試時選用德靈公司 （DADE BEHRING）的標準質(zhì)控血漿 （CiTrol coagulation control）和專門用于檢測血液凝固時間凝血活酶含鈣試劑 （Thromborel S）。

首先配置采樣頻率為50sps，采用散射法檢測血液凝固時間。使用血凝儀的電控系統(tǒng)完成樣品的混合后進行采集，每次采集600 個數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)所繪得的曲線如圖7所示，其中上圖為使用Matlab繪制出未經(jīng)濾波的原始檢測曲線，下圖為使用濾波處理后得到的曲線。曲線縱坐標為光強的AD 值，橫坐標為采樣點數(shù)。

圖7 散射曲線

接著，按照同樣的系統(tǒng)配置和實驗步驟進行透射檢測，測得曲線如圖8所示。

圖8 透射曲線

在Matlab環(huán)境下，根據(jù)上述曲線的參數(shù)可以計算得到血液樣本的凝固時間為8.13s，同時該血樣的吸光率為17.0052相對光強度／分鐘。實際醫(yī)療檢測中，需要取多次實驗結(jié)果，然后求其平均值作為醫(yī)學診斷的最終根據(jù)。

系統(tǒng)上電后，運行上位機系統(tǒng)即可顯示軟件初始化界面，如圖9所示。點擊 “建立連接”，若系統(tǒng)正常則可進行參數(shù)檢測。測得的散射光凝結(jié)過程曲線如圖10所示，散射光曲線測得方法類似，此處不再贅述。

圖9 上位機軟件初始化界面

圖10 上位機散射光凝結(jié)過程曲線

5 結(jié)束語

通過對血凝儀血液凝固過程的研究和分析，制定出一套光學檢測方案，基于光信號處理算法，研制出以MC9S12XS128單片機為控制核心的血凝分析系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計的一套電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動取樣和檢測。同時，下位機將采集到的數(shù)據(jù)通過CAN 通訊接口傳輸至上位機，通過數(shù)字濾波算法處理后計算得到凝固時間和吸光率。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、采集精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，依據(jù)本方案測得的結(jié)果符合實際規(guī)律，滿足技術(shù)指標的要求。

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