血紅蛋白濃度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳煒?shù)?，朱清，陳友凱

（浙江藥科職業(yè)大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院，浙江寧波 315100）

在臨床醫(yī)學(xué)中，血紅蛋白(HGB)濃度在醫(yī)學(xué)上是一項(xiàng)重要的指標(biāo)[1-7]。對(duì)于HGB 濃度的測(cè)量，目前主要采用的測(cè)量方法是光電容積脈搏波描記法、雙波長(zhǎng)分光度法以及動(dòng)態(tài)光譜法等[8-10]。

傳統(tǒng)的HGB 檢測(cè)是將射出光強(qiáng)強(qiáng)度I轉(zhuǎn)化為頻率，再通過(guò)對(duì)頻率的測(cè)量來(lái)計(jì)算HGB 濃度，而且多采用開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，會(huì)降低測(cè)量的精度。該文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 閉環(huán)控制的HGB 測(cè)量系統(tǒng)，它利用單波長(zhǎng)分光光度法，用ADC 直接把電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)對(duì)HGB 的測(cè)量并通過(guò)DAC 自動(dòng)將空白稀釋液穩(wěn)定至參考值，形成閉環(huán)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 HGB濃度測(cè)量原理

該系統(tǒng)的HGB 測(cè)量原理主要采用單波長(zhǎng)分光光度法，圖1 為氰化高鐵血紅蛋白溶液中可見(jiàn)光波長(zhǎng)和吸光度的關(guān)系[11]。從圖1 中可以看出，波長(zhǎng)在540 nm（綠光）附近的可見(jiàn)光達(dá)到了吸光度的峰值。

圖1 吸光系數(shù)曲線

單波長(zhǎng)測(cè)量HGB 步驟如下：

1）采用光強(qiáng)為Iin的綠光入射空白稀釋液。假設(shè)射出光強(qiáng)強(qiáng)度為I0，光的散射和折射的光吸收度為AS0；

2）采用同樣的光強(qiáng)Iin入射待測(cè)血樣，設(shè)此時(shí)射出光線強(qiáng)度為I1，光的散射和折射的光吸收度為AS1。

由Lambert-Beer 定律[12-13]可得出：

其中，K為吸光系數(shù)（與入射光波長(zhǎng)λ、液層厚度及溫度有關(guān)），L為比色池的厚度，C0為空白稀釋液的濃度，其值為0。同理可得出加入血樣后的濃度關(guān)系式：

假設(shè)測(cè)量過(guò)程中輸入光強(qiáng)不變，則將以上兩式相減，可推導(dǎo)出：

由于采用同一個(gè)系統(tǒng)，因此外界吸收AS0和AS1基本不變，所以可以進(jìn)一步得出：

由式（4）可以得出，樣本濃度與兩次出射光強(qiáng)比值的對(duì)數(shù)成正比。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)單波長(zhǎng)測(cè)量原理可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路來(lái)測(cè)量HGB 的濃度。該系統(tǒng)包括以微控制器為核心的控制和數(shù)據(jù)處理單元、壓控恒流源模塊、光電轉(zhuǎn)化模塊、按鍵顯示模塊。具體的系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 壓控恒流源電路

該系統(tǒng)利用DAC 和電壓轉(zhuǎn)電流電路來(lái)完成壓控恒流源[14]的設(shè)計(jì)。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 壓控恒流源電路結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 基于STM32F107的最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)中STM32F107 的最小系統(tǒng)主要是由時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路構(gòu)成，其處理器STM32F107 是ST 公司研發(fā)的，具有主頻高、處理速度快、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，且它是Cortex-M3 32 位RISC 內(nèi)核；內(nèi)部有兩個(gè)12 位DAC，雙DAC 通道獨(dú)立或同步轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)可以DMA 傳輸，非線性誤差達(dá)到±0.5LSB。因此DA 轉(zhuǎn)換器選用STM32F107 集成的12 位DAC，參考電壓為2.43 V。當(dāng)DAC 輸出的電壓改變時(shí)，由于電流和輸入電壓成線性關(guān)系，所以只要改變電壓，電流也會(huì)相應(yīng)改變，且負(fù)載在一定范圍內(nèi)，電流的值保持不變。實(shí)現(xiàn)了電壓控制的恒流源的設(shè)計(jì)。

3.1.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電壓電流轉(zhuǎn)換器由運(yùn)算放大器LM358 構(gòu)成，LM358 是雙運(yùn)放放大器，內(nèi)部有兩個(gè)高增益的、獨(dú)立的運(yùn)算放大器，且內(nèi)部具有頻率補(bǔ)償；它既可以在電壓范圍很寬的單電源下工作，也可以在正負(fù)電壓下工作；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；具有低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。其特性非常適合用在該系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)電流電路中，電路如圖4 所示。

圖4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路

圖中R6是負(fù)載電阻，Iout是輸出電流，假定，R4＞＞R5，R4＞＞R6，即電阻R4對(duì)輸出電流Iout的分流作用可以忽略，令R4/R3=R2/R1，得：

這是一種電路簡(jiǎn)單同時(shí)又有較高精度的電壓(Vin)/電流(Iout)轉(zhuǎn)換器。其輸出電流Iout的范圍為0～20 mA，且與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。

3.2 光電轉(zhuǎn)換電路

PN 結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，處于反相偏置的PN 結(jié)，在無(wú)光照時(shí)，具有高阻特性，反向電流很小[15]。當(dāng)有光照時(shí)，電子向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P 區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反相電流一致。因?yàn)楣怆姸O管對(duì)波長(zhǎng)為λ的光波的敏感性為Sλ=Isc/Iλ，又因?yàn)榉糯箅娐稸out=-Isc×R，即Iλ與Vout成正比，從而可以通過(guò)測(cè)量Vout即可知道光電二極管接受的光強(qiáng)Iλ。由于單片機(jī)采集的電壓范圍為0～2.43 V，所以將光電轉(zhuǎn)換電路的輸出負(fù)壓通過(guò)反相器轉(zhuǎn)換為正壓U0輸入到ADC。電路如圖5 所示。

圖5 光電轉(zhuǎn)換電路

3.3 空白稀釋液參考值選定

該系統(tǒng)定義的空白稀釋液參考值是指綠光入射空白稀釋液，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由AD 轉(zhuǎn)換到的值(單位為mV)。由于該系統(tǒng)使用的ADC 本身存在一定的誤差，在電壓較低的情況下，轉(zhuǎn)換的電壓值誤差會(huì)相對(duì)偏大。若Io過(guò)小，不僅會(huì)導(dǎo)致ADC 精度的浪費(fèi)，而且在血樣濃度很高時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性；又因?yàn)锳DC 采樣電壓范圍為0～2.43 V，為了防止超出采樣范圍，應(yīng)留有一定的余量，所以該系統(tǒng)所選的參考值為2 000 mV。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后等待測(cè)量命令，當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)量命令來(lái)到時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)空白稀釋液是否到達(dá)參考值：若沒(méi)有，則通過(guò)PI 調(diào)節(jié)至參考值；若到達(dá)參考值，則記錄此時(shí)空白稀釋液的電壓值。等血樣稀釋完成后，等待檢測(cè)血樣命令，當(dāng)檢測(cè)血樣命令到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)采樣血樣電壓值。將空白值和血樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，并由單片機(jī)計(jì)算出其濃度值，顯示至數(shù)碼管。系統(tǒng)總體流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

4.1 數(shù)字PI控制器

PID 控制本質(zhì)上是一個(gè)二階線性控制器，通過(guò)整定比例(P)、積分(I)、微分(D)參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的性能。在該系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度高，所以采用PI 控制器[10]，計(jì)算公式為：

式中的比例(P)控制用來(lái)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(k)；積分(I)控制主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。這里通過(guò)PI算法結(jié)合DAC、被控對(duì)象（光源）以及放大電路和ADC 使基準(zhǔn)值形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。

4.2 PI控制子程序

由于發(fā)光管的老化，光接收管受損，或者放大倍數(shù)改變等都會(huì)使系統(tǒng)偏移參考值，從而影響HGB 濃度的計(jì)算。因此該系統(tǒng)引入PI 控制器[16]來(lái)消除這些因素的影響，使參考值穩(wěn)定。

當(dāng)空白稀釋液時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)ADC 轉(zhuǎn)換電壓是否與參考值相等，若不相等，則將輸入偏差給PI 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)直到達(dá)到參考值。如當(dāng)放大倍數(shù)減小，系統(tǒng)相應(yīng)增強(qiáng)發(fā)光管入射強(qiáng)度，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定。PI控制器流程圖如圖7 所示。

圖7 PI控制流程圖

5 測(cè)試結(jié)果與分析

電路制作完成后，分別將硬件的子電路進(jìn)行測(cè)試。壓控恒流源測(cè)試如下：輸入電壓在0～2.43 V 內(nèi)取值，得到相應(yīng)的輸出電流值，以檢驗(yàn)電路是否能夠達(dá)到預(yù)期效果；待硬件電路測(cè)試完成后，將進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的性能測(cè)試。

5.1 空白稀釋液穩(wěn)定性測(cè)試

空白稀釋液的穩(wěn)定性是HGB 濃度測(cè)量的重要指標(biāo)之一，其穩(wěn)定性直接影響血樣濃度結(jié)果的準(zhǔn)確性。在空白稀釋液電壓值為2 000 mV 的情況下，連續(xù)測(cè)10 次空白值，得到如表1 所示的數(shù)據(jù)。

表1 空白稀釋液穩(wěn)定性測(cè)試

從表中可以得出，第二次空白值與空白參考值的最大誤差為0.5%，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

5.2 HGB濃度線性測(cè)試

表2 HGB濃度線性測(cè)試結(jié)果

所測(cè)濃度偏移擬合曲線的最大偏差為0.412 μL，非線性誤差為2.42%FS。

5.3 HGB穩(wěn)定性測(cè)試

由于濃度與lg(I0/I1)呈線性關(guān)系，所以lg(I0/I1)的穩(wěn)定性即為HGB 濃度的穩(wěn)定性。在加入血樣濃度為13 μL 的情況下，連續(xù)測(cè)量10 次，記錄每次所測(cè)血樣的lg(I0/I1)，得到如圖8 所示的曲線。

圖8 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

該文論述了基于STM32 的HGB 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要包括壓控恒流源模塊、光電轉(zhuǎn)化模塊，其中HGB 計(jì)算和自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都由單片機(jī)來(lái)完成。系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果表明，空白稀釋液的最大誤差為0.5%，血樣濃度偏離平均值的程度小，濃度的非線性誤差達(dá)到2.42%，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。該系統(tǒng)可移植到血液分析儀產(chǎn)品中，主控制器只需向其發(fā)送測(cè)量命令和讀取結(jié)果命令便可完成對(duì)HGB濃度的測(cè)量，也可做成便攜式HGB 濃度測(cè)量?jī)x，應(yīng)用前景廣泛。