一種血液樣本量測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)

顧希，叢美華，王建，楊小紅，韓玉珠

1. 南通市婦幼保健院，江蘇 南通 226018；2. 南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南通 226001；3. 南通市第一人民醫(yī)院，江蘇 南通 226001

引言

危重患者尤其早產(chǎn)兒在住院期間可由多種原因造成不同程度的貧血，期間由于診斷、檢查、治療等措施造成的貧血稱(chēng)為“醫(yī)源性貧血”[1]。多項(xiàng)臨床研究表明醫(yī)源性貧血已成為危重患者的一個(gè)潛在危機(jī)，大量靜脈采血導(dǎo)致的失血是醫(yī)源性貧血的一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素[2-3]。因此，我院在危重患者日常護(hù)理中，主要通過(guò)規(guī)范采血技術(shù)，減少血液標(biāo)本的浪費(fèi)[4]來(lái)盡量減少貧血的發(fā)生。規(guī)范采血就是做到盡量降低住院期間的抽血總量和抽血次數(shù)，盡量減少醫(yī)源性的失血[5]。我們通過(guò)為每個(gè)危重患者建立采血單，及時(shí)記錄每次的采血量，以此積極控制采血時(shí)機(jī)和采血量。目前，醫(yī)院在進(jìn)行血液樣本量測(cè)量時(shí)，多采用帶刻度線(xiàn)的試管采集后進(jìn)行讀數(shù)，并將讀數(shù)輸入設(shè)備用于后期的數(shù)據(jù)處理。但由于主客觀(guān)原因，會(huì)出現(xiàn)讀錯(cuò)漏記現(xiàn)象，且所記錄的采血量與實(shí)際采血量存在偏差。另一方面，過(guò)低的采血量對(duì)檢測(cè)結(jié)果是有影響的，因?yàn)椴∏榈男枰?，過(guò)少的檢測(cè)次數(shù)也是不現(xiàn)實(shí)的。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，以監(jiān)測(cè)采血量為重心，建立更加有效快捷的體系很有必要。通過(guò)查新，國(guó)內(nèi)外無(wú)可以監(jiān)測(cè)危重患者血液標(biāo)本采集量的系統(tǒng)。本項(xiàng)目研制的系統(tǒng)能準(zhǔn)確及時(shí)記錄每次的采血量，為醫(yī)護(hù)人員結(jié)合危重患者病情及血紅蛋白等指標(biāo)，提供采血的警惕數(shù)值。其中血液樣本量的測(cè)量是本系統(tǒng)的首要核心部分。本設(shè)計(jì)目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的讀數(shù)不準(zhǔn)確、容易讀錯(cuò)、輸入錯(cuò)誤和自動(dòng)化程度低等缺陷和不足，提供一種血液樣本量測(cè)量?jī)x器，用于解決上述問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計(jì)的血液樣本量測(cè)量?jī)x器由激光發(fā)生器、光學(xué)斬波器、聚光透鏡、容納腔、試管、光學(xué)信號(hào)處理裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成[6]。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為系統(tǒng)硬件關(guān)系圖。

本系統(tǒng)采用光纖透射法測(cè)量原理，激光通過(guò)光學(xué)斬波器將連續(xù)光調(diào)制成有固定頻率的兩個(gè)光信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的頻率是相同的，一個(gè)是參考信號(hào)，一個(gè)是調(diào)制后的光信號(hào)。調(diào)制后的光信號(hào)照射采集裝置中的血液樣本，發(fā)出采集光信號(hào)。鎖相放大器是利用采集光信號(hào)和參考信號(hào)的乘法運(yùn)算原理，再經(jīng)過(guò)低通濾波器處理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，有效地抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和跟蹤[7]，最終輸出反比于血液樣本的模擬信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換交由計(jì)算機(jī)處理，得到血液樣本的毫升數(shù)。

圖1 血液樣本量測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)硬件關(guān)系圖

2 具體設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)信號(hào)發(fā)生器及聚光透鏡

激光發(fā)生器生成的連續(xù)光通過(guò)光學(xué)斬波器調(diào)制成固定頻率的調(diào)制光信號(hào)，并輸出參考光信號(hào)；調(diào)制光信號(hào)經(jīng)聚光透鏡實(shí)現(xiàn)匯聚射入試管的血液樣本中。激光發(fā)生器可選市售常見(jiàn)電子儀器儀表氮分子激光器，光學(xué)斬波器可選用市售的用于光譜發(fā)生器的光學(xué)斬波器。

2.2 采集裝置

采集裝置用于將調(diào)制光信號(hào)照射在裝有血液樣本的試管后輸出采集光信號(hào)。試管可選用醫(yī)院常規(guī)使用的型號(hào)，容納腔底部形狀與試管底部形狀相適配。

2.3 光學(xué)信號(hào)處理裝置

光學(xué)信號(hào)處理裝置用于將采集光信號(hào)和參考光信號(hào)轉(zhuǎn)換為采集模擬信號(hào)和參考模擬信號(hào)，并抑制采集模擬信號(hào)中的噪聲，輸出正比于血液樣本量的模擬信號(hào)。光學(xué)信號(hào)處理裝置包括采集信號(hào)處理模塊、參考光信號(hào)處理模塊和鎖相放大器。

參考光信號(hào)處理模塊通過(guò)圖像傳感器B將光學(xué)斬波器輸出的參考光信號(hào)轉(zhuǎn)換為參考模擬信號(hào)。采集信號(hào)處理模塊包括圖像傳感器A和緩沖放大器。圖像傳感器A用于將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。圖像傳感器A和圖像傳感器B均采用能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)的CCD圖像控制器。緩沖放大器用于對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大并低阻抗輸出，可選用市售常見(jiàn)模塊ADA4800。ADA4800是一個(gè)內(nèi)置有源負(fù)載的電壓緩沖器，該緩沖器是一個(gè)低功耗、低噪聲、高壓擺率、高速、具有固定增益1的單芯片放大器，適合CCD應(yīng)用。

鎖相放大器用于將經(jīng)緩沖放大器放大后的采集模擬信號(hào)與參考模擬信號(hào)共同輸入其內(nèi)部的混頻器，混頻器輸出的結(jié)果，再經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的低通濾波器濾波處理后輸出，對(duì)采集模擬信號(hào)進(jìn)行窄帶化處理，抑制采集模擬信號(hào)噪音，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集模擬信號(hào)的檢測(cè)和跟蹤[8]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)

A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器為常見(jiàn)市售電子元件，通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，A/D轉(zhuǎn)化器選用TI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ads5422。ads5422是14 bit的最高采樣頻率可達(dá)62 msps的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用單一5 V電源供電，在采樣頻率為10 m時(shí)其最大動(dòng)態(tài)范圍為82 dB，最高信噪比達(dá)到72 dB，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V或者3.3 V的cmos芯片連接，模擬量輸入的峰值為4 V，可以直接輸入0.5～ 4.5 V的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝[9]。

計(jì)算機(jī)用于將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為血液樣本量的具體數(shù)值[10-12]。

3 血液樣本量的確定

血液樣本量的確定是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是本研究的技術(shù)重點(diǎn)，即對(duì)鎖相放大器的輸出量與血液樣本量關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

我們總是希望系統(tǒng)的輸出和輸入成唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最好是線(xiàn)性關(guān)系，輸出的數(shù)據(jù)能反映被測(cè)量的真實(shí)值。但是一般情況下，因測(cè)量系統(tǒng)存在電子噪聲等原因，輸出與輸入不會(huì)符合所要求的線(xiàn)性關(guān)系。以鎖相放大器輸出的信號(hào)為輸入x，要求計(jì)算機(jī)顯示的血液樣本量為輸出y，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即確定該輸入與輸出之間數(shù)學(xué)關(guān)系y=f(x)。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確，通過(guò)試驗(yàn)，建立系統(tǒng)的輸出-輸入特性及其偏差關(guān)系。

標(biāo)定工作環(huán)境溫度20℃±5℃，濕度≤85%RH，大氣壓760 mm汞柱。標(biāo)準(zhǔn)量具的精度等級(jí)比待標(biāo)定的系統(tǒng)至少高一個(gè)等級(jí)，附加設(shè)備又比標(biāo)準(zhǔn)量具至少高一個(gè)等級(jí)。選取Eppendorf Research pro單道電動(dòng)移液器，量程100～5000 μL，使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量方法對(duì)其校準(zhǔn)，直至偏差在ISO8655的要求內(nèi)為止。選取賽多利斯BSA224S萬(wàn)分之一電子天平。

首先用4℃ ddH2O（ρ=1 g/mL）作為測(cè)量物質(zhì)，用移液器取至試管，再用電子天平秤重的方法取0.5～5 mL ddH2O作為輸入量，全量程等間隔分點(diǎn)標(biāo)定，測(cè)試計(jì)算機(jī)顯示的相應(yīng)輸出量，并與輸入量進(jìn)行比較，調(diào)整鎖相放大器增益按鈕，使輸入輸出在一定量程內(nèi)完全成線(xiàn)性相關(guān)。最終一組測(cè)量數(shù)值如表1，并作出標(biāo)定圖標(biāo)，如圖3所示。

表1 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作為測(cè)量物質(zhì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量值

圖3 ddH2O（ρ=1 g/mL，T=4℃）作為測(cè)量物質(zhì)時(shí)系統(tǒng)輸入輸出圖

X軸為鎖相放大器輸出電壓值，Y軸為樣本量值。可見(jiàn)，被測(cè)溶液量越多，透過(guò)的光越少，鎖相放大器輸出電壓越低，A/D數(shù)值越小，計(jì)算機(jī)顯示的樣本量值越大。系統(tǒng)輸入與輸出之間數(shù)學(xué)關(guān)系y=f(x)的形式是一個(gè)直線(xiàn)方程，這個(gè)方程一般可表示為y=a-bx，稱(chēng)為一元線(xiàn)性回歸方程，x和y完全負(fù)線(xiàn)性相關(guān)，求出a=5，b=1，得方程式為y=5-1x。

再次用同一頭豬的血作為測(cè)量物質(zhì)，用上述移液器取液，正反行程往復(fù)循環(huán)一次逐點(diǎn)標(biāo)定，測(cè)量數(shù)值如表2。標(biāo)定圖如圖4。

圖4 豬血作為測(cè)量物質(zhì)時(shí)系統(tǒng)輸入輸出圖

可用最小平方法來(lái)確定式中的兩個(gè)系數(shù)a和b。

得出此一元線(xiàn)性回歸方程為y=4.8517-1.0007x。

這里還有一個(gè)問(wèn)題，人血液樣本有個(gè)體差異，比如顏色、濃度、密度的差異，這些差異可以影響測(cè)量結(jié)果，為此，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)參比測(cè)量電路[13-15]，如圖5所示。

圖5 參比測(cè)量電路

從圖中可以看到增加了一組測(cè)量電路，可以對(duì)血液樣品的差異進(jìn)行檢測(cè)，用來(lái)修正血液樣本量的結(jié)果。參比測(cè)量電路的輸出CCD1的數(shù)字量即可修正公式y(tǒng)=a-bx中的常數(shù)a和b。

表2 豬血作為測(cè)量物質(zhì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量值

4 使用方法

該測(cè)量?jī)x使用方法為：① 常規(guī)準(zhǔn)備，護(hù)理人員規(guī)范洗手、戴口罩，核對(duì)患者姓名、床號(hào)；② 對(duì)成人或嬰幼兒進(jìn)行采血，系統(tǒng)支持適合成人和嬰幼兒采血量的兩種試管規(guī)格；③ 接通電源，輸入患者姓名，門(mén)診號(hào)或床號(hào)，選擇試管規(guī)格；④ 將試管放置容納腔內(nèi)；⑤ 首次使用，需系統(tǒng)初始化，然后點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量；⑥ 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量并讀取數(shù)據(jù)顯示，也可反復(fù)測(cè)量，計(jì)算平均值顯示；⑦ 點(diǎn)擊存儲(chǔ)功能，可對(duì)同一患者的采血量累計(jì)計(jì)算顯示；⑧ 關(guān)閉機(jī)器，拔下電源，清洗。

5 應(yīng)用效果

同一頭豬血隨機(jī)分成不等體積樣本40例，分別標(biāo)上序號(hào)。工作環(huán)境為溫度20℃±5℃；濕度≤85%RH；大氣壓760 mm汞柱。選取賽多利斯BSA224S萬(wàn)分之一電子天平，對(duì)40例樣本逐一稱(chēng)重3次，并記錄，取其平均值。豬血的密度ρ=1.05 g/mL，再根據(jù)液體體積的計(jì)算公式是V=m/ρ求出每一份樣本體積，作為本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)。計(jì)量單位：質(zhì)量m的單位用g，密度ρ的單位用g/mL，體積V用mL。具體測(cè)量結(jié)果如表3。

表3 電子天平隨機(jī)豬血樣本質(zhì)量m示值

將40例豬血樣本隨機(jī)分為兩組，觀(guān)察組20例，對(duì)照組20例。對(duì)照組采用帶刻度線(xiàn)的試管采集后進(jìn)行讀數(shù)，并將讀數(shù)輸入設(shè)備用于后期的數(shù)據(jù)處理，使用兩名工作人員，一人讀數(shù)，一人將讀數(shù)輸入到電腦。觀(guān)察組采用本實(shí)用新型血液樣本量測(cè)量?jī)x，將試管放置容納腔內(nèi)，自動(dòng)測(cè)量顯示并存儲(chǔ)本次采血量，只需一人操作即可。對(duì)兩組分別計(jì)時(shí)。將豬血樣本體積讀數(shù)與表3體積值對(duì)比。

觀(guān)察組總用時(shí)、平均使用時(shí)間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于對(duì)照組，對(duì)照組漏讀數(shù)2例，輸入錯(cuò)誤3例，觀(guān)察組滿(mǎn)意度高于對(duì)照組，具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 兩組數(shù)據(jù)比較

試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，本測(cè)量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，儀器具有一定的有效量程，對(duì)成人和嬰幼兒采血量皆適合使用，不存在漏讀和輸入錯(cuò)誤，準(zhǔn)確迅速，用時(shí)用工少，效率高，臨床試用效果滿(mǎn)意。此系統(tǒng)不是用于血液成分的檢測(cè)，而是對(duì)血液樣本量多少進(jìn)行測(cè)量。臨床上存在一種對(duì)所采集的血液樣本量沒(méi)達(dá)到測(cè)定值而報(bào)警的檢驗(yàn)儀器，未見(jiàn)對(duì)血液樣本量多少進(jìn)行測(cè)量的儀器的報(bào)道，因此這種血液量測(cè)量?jī)x目前在臨床上是空白。

6 討論和結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過(guò)將光學(xué)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制光信號(hào)經(jīng)采集裝置后轉(zhuǎn)化為采集光信號(hào)，將采集光信號(hào)與參考光信號(hào)經(jīng)光學(xué)信號(hào)裝置處理后，輸出正比于血液樣本量模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)處理得到血液樣本量的具體數(shù)值，這種測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量試管中的血液樣本量并直接輸入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存作為后續(xù)使用，準(zhǔn)確度高、操作方便且自動(dòng)化程度高。可用于對(duì)危重病人或早產(chǎn)兒等采血量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，減少醫(yī)源性貧血的發(fā)生率。