一種便攜型電磁感應式凝血測試傳感器

李曉 王春偉 于源華

摘 要： 近年來，隨著心血管疾病增多，需要對患者測凝血狀況。為了減輕復雜程序給醫(yī)療保健者帶來的負擔并實現(xiàn)對患者的病情進行連續(xù)動態(tài)、定性和定量的觀察，本文設計了一種基于電磁感應式凝血測試便攜式傳感器。根據(jù)法拉第電磁感應定律和諾曼公式，設計電磁感應線圈，利用電磁感應法驅(qū)動血液中的機械探頭進行周期性振動。通過與市面上存在傳感器的進行相關性對比，其相關性達到了0.996，表明傳感器可以滿足臨床上精度的要求，具有相對穩(wěn)定的工作特性，達到了傳感器結(jié)構(gòu)設計的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，高靈敏、抗疲勞等優(yōu)點，具有巨大經(jīng)濟效益與市場競爭力。

關鍵詞： 電磁感應;傳感器;電磁感應線圈

Abstract： In recent years，with the increase of cardiovascular diseases，it is necessary to measure coagulation status in patients.In order to reduce the burden of complex procedures on health care providers and achieve continuous dynamic，qualitative and quantitative observation of the patient's condition，this article designed a portable sensor based on electromagnetic induction coagulation test.According to Faraday's law of electromagnetic induction and Norman's formula，an electromagnetic induction coil is designed and a mechanical probe in blood is driven by electromagnetic induction method to perform periodic vibration.By correlating with the presence of sensors on the market，the correlation reached 0.996，indicating that the sensor can meet the requirements of clinical precision，has relatively stable working characteristics，has achieved the purpose of sensor structural design，has a simple structure，and has a low cost.，High sensitivity，anti-fatigue and other advantages，with huge economic benefits and market competitiveness.

Key words： Electromagnetic induction;sensor;Electromagnetic induction coil

凝血檢測是臨床非常重要的檢驗項目。近年來，隨著心機梗死、冠心病、腦血栓等心血管疾病增多，需要對患者測凝血狀況。一般情況下，患者需要定期到醫(yī)院或中心實驗室進行凝血試驗。這樣的程序給醫(yī)療保健提供者帶來了很大的負擔，并且增加了測試的返回時間和成本。此外，在ICU病房，必須對患者的病情進行連續(xù)動態(tài)、定性和定量的觀察，全方位觀測凝血過程，為臨床合理用藥提供參考。為了緩解這些問題，臨床上急需一種新型的快速、直觀、全面的凝血檢測技術(shù)。目前，臨床用于體外凝血檢測的方法主要以光學法[1]和粘度法為主，由于光學法易受外界環(huán)境因素的干擾，所以檢測反應體系粘度變化成為體外凝血檢測與血液疾病診斷的發(fā)展趨勢。檢測粘度變化主要以壓電石英晶體制做的傳感器為主。[2]-[4]

在這項研究中，我們介紹了一種使用電磁振動傳感方法進行快速方便的檢測凝血的新方法。項目產(chǎn)品為臨床抗凝血藥物的用藥藥效檢測及指導用藥、手術(shù)前后血小板凝血功能檢測、心血管內(nèi)科心肌梗死及血栓病人血液凝血動態(tài)過程等提供核心技術(shù)支撐。本項目符合國家及地方醫(yī)藥健康產(chǎn)業(yè)的支持政策，面向ICU、手術(shù)室、心腦血管內(nèi)科、床旁檢測等，也可用于生物技術(shù)、環(huán)境、化工等領域。本項目填補了國內(nèi)的空白，具有巨大經(jīng)濟效益與市場競爭力。

1 工程原理

1.1 凝血原理

凝血因子包括12個，除FⅣ（Ca2+）為金屬離子外，其他均為蛋白質(zhì);除組織因子（Tissue Factor，TF）外，其他均存在于血漿中。[5]內(nèi)源性凝血途徑是指參加的凝血因子全部來自血液。外源性凝血途徑是指參加的凝血因子并非全部存在于血液中，還有外來的凝血因子參與止血。經(jīng)典的凝血瀑布學說認為血液凝固過程由內(nèi)源性途徑、外源性途徑和共同通路組成，是通過多種酶原被順序激活而過程不斷得到加強和放大的一種連鎖反應。[6]如圖1所示。

1.2 工作原理

凝血測試傳感器是通過感知血液中十二個因子的變化規(guī)律，將凝血過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的物理或者化學信號的器件或裝置。本文利用阻尼振動原理，利用電磁感應法驅(qū)動血液中的機械探頭進行周期性振動，受凝血剪切力的影響，機械探針的振動頻率會發(fā)生規(guī)律性的變化。[7]通過傳感器輸出頻率的變化來表征血液凝固前后粘度和密度變化的動態(tài)過程，進而間接評價凝血情況，與此同時血小板功能及凝血障礙也可以反映出來。

2 電磁感應線圈的設計

2.1 電磁感應定律

電磁感應現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導體，會產(chǎn)生電動勢，該電動勢稱為感應電動勢，如果導體被封閉成一個回路，電子會因該電動勢而產(chǎn)生流動，生成感應電流。[8]法拉第發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生在閉合回路上的電動勢和通過任何該路徑所包圍的曲面上磁通量的變化率成正比。物理學家諾曼整理并歸納得出了諾曼公式

Ve=- dφm dt

其中感應所得電動勢為ve，互感磁通量為dφm。

如圖2所示，假設回路A 中通上電流I，回路 A附近的空間就會產(chǎn)生一個同電流同頻率的交變電磁場?；芈?B 就會感應出一個同頻率的電流。通過回路 B中感應電壓電流的變化，我們可以了解磁場在空間中的變化。

2.2 電磁耦合線圈

電磁耦合線圈是該傳感器中比較重要的部分，傳感器施加在正弦激勵線圈上的電流表達式為：

I（t）=Asin 2πf1t cos 2πf0t

式中f1為調(diào)制頻率，為3.9kHz;f0為載波頻率，為2MHz;A為常數(shù)。此時在線圈軸線上形成的磁場表達式為：

Bsin=nKsin 2πf1t cos 2πf0t sin（ 2πx L ）

式中n為線圈匝數(shù);K為常數(shù);x 為沿線圈軸線的位置;L 為整個線圈軸線長度。

傳感器的電磁耦合線圈受到正弦激勵信號時，就會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場在永磁體的磁場下做循環(huán)往復的周期運功。

3 實驗與結(jié)果

為了驗證該傳感器能夠滿足實驗要求，我們做了凝血測試的重復性試驗，并與市面上已經(jīng)存在的傳感器作比較，如圖3所示。

從實際測試結(jié)果可以看出，本文設計的傳感器雖滿足測試要求，其數(shù)據(jù)重復性與數(shù)據(jù)相關性依然存在實驗誤差，分析誤差來源包括兩個方面，一是傳感器本身存在零件加工誤差，二是探測儀器的誤差。但通過實驗數(shù)據(jù)比較可知采用電磁振動彈性支撐式的凝血測試傳感器在試驗環(huán)境條件和外界的干擾方面與采用其他方法測試凝血動態(tài)過程優(yōu)勢明顯，表明該傳感器具有相對穩(wěn)定的工作特性，達到了傳感器結(jié)構(gòu)設計的目的。其相關性達到0.996，說明設計的電磁振動式凝血過程動態(tài)測試傳感器可以滿足臨床檢測精度的要求。

4 結(jié)論

通過上述說明本項目研制的電磁感應式凝血測試傳感器可用于檢測血液凝固過程中血液內(nèi)發(fā)生的粘度變化。通過利用這種粘度變化，可以實時監(jiān)測人的凝血狀況。檢測系統(tǒng)系統(tǒng)可以通過頻率變化進行血液凝固分析。該系統(tǒng)與當前的方法相比有許多優(yōu)點。其中一種就是設計的簡單性允許小型化和計算機控制。這使電磁感應式凝血檢測傳感器成為便攜式血液監(jiān)測系統(tǒng)的合適選擇。

參考文獻：

[1]Yu-Cheng Lin，Shih-Chieh Yen，Stone Cheng，Effectiveness of holographic optical element module sensor in measuring blood prothrombin time[J].Measurement Science and Technology，2014.1.18.

[2]Tzong-Jih Cheng，Hsien-Chang Chang，A piezoelectric quartz crystal sensor for the determination of coagulation time in plasma and whole blood[J].Biosensors & Bioelectronics，1998.147-156.

[3]Hsien-Chang Chang，Tzong-Jih Cheng，Tsui-Hsun Wu，Determination of coagulation time in whole blood containing anticoagulant by piezoelectric quartz crystal sensor[J].Sensors and Actuators，2000，2996-298.

[4]Lothar Muller，Stefan Sinn，Hartmut Drechsel，Investigation of Prothrombin Time in Human Whole-Blood Samples with a Quartz Crystal Biosensor[J].Anal.Chem，2010，658-663.

[5]王鴻利.止血與凝血研究機制進展[J].繼續(xù)醫(yī)學教育，2006.9.20.

[6]史旭波，胡大一.血栓形成與凝血機制及調(diào)節(jié)[J].臨床薈萃，2017.7.20，22（14）.

[7]Libby G，Puckett a，Gary Barrett a，Monitoring blood coagulation with magnetoelastic sensors[J].Biosensors and Bioelectronics，2003，675-681.

[8]李凌，楊明，葉林.感應式非接觸角度傳感器電磁耦合系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，（10）：130-132.