血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應(yīng)的角度傳感器研究

秦　勇，周　奇，劉盛雄，劉　勇

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶　400054)

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血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應(yīng)的角度傳感器研究

秦勇，周奇，劉盛雄，劉勇

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054)

摘要：針對(duì)血栓彈力圖儀(Thrombelastography,TEG)的測(cè)量原理，提出一種能精確測(cè)量的基于非接觸式電磁感應(yīng)的角度傳感器，最大程度減小了對(duì)被測(cè)量血液特性的影響。描述了測(cè)量原理，給出了相應(yīng)的電路以及上位機(jī)軟件，搭建了血栓彈力圖儀的測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本傳感器完全能滿足血栓彈力儀的要求。

關(guān)鍵詞：血栓彈力儀；非接觸式電磁感應(yīng)；角度傳感器

血栓彈力圖儀(thrombelastography,TEG)是一種用于評(píng)估臨床患者凝血機(jī)制的有效測(cè)量?jī)x器[1]，是目前唯一能檢測(cè)和評(píng)估血液凝固和纖溶全過(guò)程的儀器。臨床應(yīng)用結(jié)果表明：該儀器克服了傳統(tǒng)凝血檢測(cè)存在的局限性[2]，可用于一些疾病診斷，也可用于指導(dǎo)臨床輸血、評(píng)估手術(shù)的出血風(fēng)險(xiǎn)，還可以有效指導(dǎo)心血管患者的用藥[3-7]。目前，國(guó)內(nèi)使用的血栓彈力儀是美國(guó)唯美血液技術(shù)公司HAEMONETICSTEG5000 血栓彈力圖儀[8-9]。我國(guó)用于臨床檢驗(yàn)的血栓彈力圖儀主要依靠國(guó)外進(jìn)口，其常用的測(cè)量方法是電感法，但是電感法在圓周方向的測(cè)量存在非線性誤差[10]。分析TEG測(cè)量凝血功能的原理和裝置可知：懸垂絲細(xì)微變化的角度測(cè)量是整個(gè)TEG的關(guān)鍵。本文提出了一種能精確測(cè)量的、基于非接觸式電磁感應(yīng)的角度傳感器。這種角度傳感器具有良好的線性度，旨在測(cè)量杯蓋旋轉(zhuǎn)角度的變化，最大程度減小了對(duì)被測(cè)量血液特性的影響，從而能準(zhǔn)確反映被測(cè)血液凝固到纖溶的整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

1　TEG測(cè)量原理和角度測(cè)量原理

1.1血栓彈力圖儀測(cè)量原理

TEG是一種記錄凝血和纖溶過(guò)程中血塊強(qiáng)度隨著時(shí)間發(fā)生變化的儀器，通過(guò)繪制出一條時(shí)間和血塊強(qiáng)度(血栓彈力)的變化曲線來(lái)解析凝血和纖溶過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)。 如圖1所示，其工作原理是：將0.36mL全血加入測(cè)試杯中;測(cè)試杯加熱至37 ℃，以±4°45′的角度和每10s一周的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng);血液逐漸凝固形成血栓;置于血標(biāo)本檢測(cè)杯中的杯蓋受到血栓切應(yīng)力作用，隨之出現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)；杯蓋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中帶動(dòng)懸垂絲，懸垂絲上受到的扭力被轉(zhuǎn)換記錄形成TEG曲線[11]。

圖1　血栓彈力圖儀測(cè)量原理

1.2角度測(cè)量原理

本文提及的角度傳感器基于非接觸式電磁感應(yīng)原理[12]進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖2所示，該傳感器的工作原理為：將適當(dāng)?shù)母哳l正弦交流信號(hào)施加于激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈在交流信號(hào)的作用下產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)；根據(jù)楞次定律，轉(zhuǎn)子線圈會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交變電磁場(chǎng)；接收線圈處于激勵(lì)線圈和轉(zhuǎn)子線圈共同產(chǎn)生的復(fù)合電磁場(chǎng)中，接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直接決定于該復(fù)合電磁場(chǎng)；根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，當(dāng)接收線圈與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈與接收線圈的互感都將發(fā)生變化[13]；再根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，接收線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，對(duì)接收線圈的電信號(hào)進(jìn)行采樣分析即可得到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

圖2　角度傳感器原理

為了提高測(cè)量精度，便于后期信號(hào)處理，設(shè)計(jì)傳感器接收線圈為3路線圈，接收線圈之間交織成40°，提取的接收線圈的輸出信號(hào)為具有相同周期(120°)、相位相差40°的同相正弦信號(hào)[14]：

sig1=(Asin(3θ)+B)·

(1)

sig2=(Asin3(θ+40°)+B)·

(2)

sig3=(Asin3(θ+80°)+B)·

(3)

其中：A為輸入信號(hào)的幅度；θ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；B為輸入信號(hào)的共模電平值；Ss為外界電磁信號(hào)引入的共模干擾。將3路提取的信號(hào)經(jīng)儀表差分放大消除共模信號(hào)，通過(guò)后續(xù)的放大、濾波處理以及峰值采樣電路作用，3路信號(hào)的變化只跟隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，變?yōu)榕c時(shí)間無(wú)關(guān)的直流電平信號(hào)。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)字化處理后得到的信號(hào)形式如式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

其中：Am為經(jīng)過(guò)差分—放大—峰值采樣數(shù)字化后得到的電壓幅值；Bm為放大器的直流工作點(diǎn)。對(duì)上述公式進(jìn)行求解反正弦，即可得出角度值：

(7)

(8)

(9)

2　傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

角度傳感器硬件系統(tǒng)由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、角度傳感器模塊以及信號(hào)處理模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì)為正弦波發(fā)生器，設(shè)計(jì)頻率為100kHz,振幅為±5V。該信號(hào)發(fā)生器具有強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，有效避免了驅(qū)動(dòng)不足的缺點(diǎn)。

角度傳感器模塊是非接觸式的角度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝容易的特點(diǎn)。該模塊由定子(圖4(a))和轉(zhuǎn)子(圖4(b))兩部分組成。定子中包含了激勵(lì)線圈與接收線圈，激勵(lì)線圈設(shè)計(jì)為單向N匝的線圈。線圈匝數(shù)越多，接收線圈感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。接收線圈采用“三葉式”方案，與激勵(lì)線圈處于同一個(gè)平面。設(shè)計(jì)的3組大小相同、形狀一致、位置相差120°的線圈有1個(gè)公共連接點(diǎn)和3個(gè)輸出端口，用于信號(hào)的輸出。轉(zhuǎn)子是一個(gè)閉合的單面線圈，采用“三葉式”，每一葉的角度為60°，每2葉之間的夾角為120°，其形狀與大小由定子中接收線圈的形狀與大小決定。

圖4　接收線圈及激勵(lì)線圈

信號(hào)處理模塊主要是提取3組接收線圈的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析預(yù)處理。該部分涉及儀用放大、比例放大、濾波的前期處理。經(jīng)過(guò)前期處理得到純凈的信號(hào)，且3路信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度及變化趨勢(shì)均有所不同。為了能檢測(cè)3路信號(hào)，設(shè)計(jì)了峰值檢測(cè)電路，巧妙提取了當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的信號(hào)的峰值，為得到角度值提供了有力且有效的數(shù)據(jù)。

圖5為峰值檢測(cè)邏輯示意圖。電路檢測(cè)到信號(hào)的峰值。當(dāng)信號(hào)變小時(shí)，峰值信號(hào)不能及時(shí)跟隨信號(hào)變化，需要引入放電控制。此處即涉及單片機(jī)控制邏輯[15]。如圖6所示,對(duì)于峰值數(shù)據(jù)的采集設(shè)計(jì)了AD采集及控制系統(tǒng)，能快速有效采集3路峰值信號(hào)。

圖5　峰值檢測(cè)邏輯示意圖

圖6　單片機(jī)控制邏輯

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)電路對(duì)信號(hào)的預(yù)處理后，需要將最終得到的模擬信號(hào)提取為數(shù)字信號(hào)以便于對(duì)角度信號(hào)的提取.本系統(tǒng)選用了自帶高精度AD轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)為微處理器，主要用于控制峰值檢測(cè)電路、AD信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)預(yù)處理以及信息傳輸。圖7為軟件的邏輯流程。

圖7　軟件邏輯流程

隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)電路預(yù)處理后得到的3路信號(hào)隨之發(fā)生改變。復(fù)位轉(zhuǎn)子到零點(diǎn)位置，以定位零點(diǎn)的光電管導(dǎo)通為準(zhǔn)。單片機(jī)采集零點(diǎn)時(shí)3路信號(hào)的幅值，將其存儲(chǔ)作為零點(diǎn)參考。每次復(fù)位零點(diǎn)并記錄新的零點(diǎn)值大大提升了系統(tǒng)的重復(fù)性。以其中任意一路為基準(zhǔn)，將采得的數(shù)據(jù)與零點(diǎn)值做比較。如圖8(a)所示，以A點(diǎn)作為零點(diǎn)，若采得的值大于A點(diǎn)的值，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向記為正；如圖8(b)所示，以B點(diǎn)作為零點(diǎn)，若采得的值小于B點(diǎn)的值，則轉(zhuǎn)動(dòng)方向記為負(fù)。

圖8　方向判斷示意圖

單片機(jī)對(duì)3路信號(hào)進(jìn)行切換采樣，并有效控制對(duì)應(yīng)峰值檢測(cè)電路。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，若判定當(dāng)下采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則舍去數(shù)據(jù)并重新進(jìn)行采集。將正確數(shù)據(jù)保存并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)，解出相應(yīng)的角度值。利用3路信號(hào)得出的3個(gè)角度值，進(jìn)行均值求解，提升了所得角度值的準(zhǔn)確度。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照血栓彈力圖儀的測(cè)量要求，本文以測(cè)量±4°45′的角度值對(duì)傳感器的精度、線性、重復(fù)性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)采用10位的AD進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，理論上角度傳感系統(tǒng)的精度可達(dá)0.01°。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明：儀器可達(dá)理論精度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以實(shí)際角度進(jìn)行等間隔采樣，記錄測(cè)量得到的正負(fù)向角度AD采樣值與實(shí)際角度相對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算AD采樣值，以及對(duì)應(yīng)的求得的角度測(cè)量值和實(shí)際角度值。以AD采樣值為橫坐標(biāo)，以角度值為縱坐標(biāo)作圖，得到圖9和圖10，其中：曲線①為正向的角度測(cè)量值；曲線④為負(fù)向的角度測(cè)量值；曲線②、③為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值。圖9中AD采樣值線性增加，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理分析正向的角度值與實(shí)際角度值呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)p=0.99。當(dāng)轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，見(jiàn)圖10。反向的角度值(AD采樣值)線性減小。同理，求得電機(jī)實(shí)際負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測(cè)得反向的角度值與實(shí)際角度值呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)p=0.99。根據(jù)非線性誤差計(jì)算公式，分析計(jì)算得出轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的角度值的非線性誤差為±1.21%，系統(tǒng)的絕對(duì)誤差最大值為0.06°，在可接受范圍之內(nèi)。

在相同條件下，連續(xù)多次測(cè)量同一范圍的角度變化，并記錄角度變化過(guò)程中的AD采樣值。如圖11所示，橫坐標(biāo)表示測(cè)試點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的AD采樣值。圖中曲線由多組數(shù)據(jù)組成，在相同條件下，多條曲線的趨勢(shì)以及大小相近。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差法，用貝塞爾公式計(jì)算重復(fù)性誤差[16]。當(dāng)取系數(shù)為2時(shí)，誤差完全服從正態(tài)分布，置信概率為95%，此時(shí)的重復(fù)性誤差δk=2.1%；當(dāng)取系數(shù)為3時(shí)，置信概率為99.73%，重復(fù)性誤差δk=3.2%。

圖9　正向角度與對(duì)應(yīng)AD值

圖10　負(fù)向角度與對(duì)應(yīng)AD值

圖11　重復(fù)性數(shù)據(jù)分析

4　結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于非接觸式電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的角度傳感器具有精度高、線性度好、重復(fù)性好等特點(diǎn)，有效解決了血栓彈力圖儀研制過(guò)程中角度測(cè)量的問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)血栓彈力圖儀的研制提供了一定的參考。

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(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2016-03-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31200709)

作者簡(jiǎn)介：秦勇(1991—),男,重慶巫溪人,碩士研究生,主要從事醫(yī)療儀器研究；通訊作者 周奇(1962—)，男，重慶人，教授，主要從事醫(yī)療工程技術(shù)與應(yīng)用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.016

中圖分類號(hào)：TH712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)07-0093-05

AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)

QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，LIUYong

(CollegeofPharmacyandBiologicalEngineering,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:This paper proposed an accurately angle sensor according to the principle of Thrombelastography (TEG), which based on the non-contact electromagnetic induction principle and minimized the influence of the characteristics of blood. This paper described the measuring principle in detail, and expounded the corresponding circuit design and software of the system, and built measuring device. The experimental results show that this sensor has fully reached the requirements of thrombelastography.

Key words:thrombelastography; non-contact electromagnetic induction; angle sensor

引用格式：秦勇，周奇，劉盛雄，等.血栓彈力圖儀(TEG)中基于非接觸式電磁感應(yīng)的角度傳感器研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(7):93-97.

Citationformat：QINYong，ZHOUQi，LIUSheng-xiong，etal.AngleSensorBasedonNonContactElectromagneticInductioninThrombelastography(TEG)[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):93-97.