糖化血红蛋白检测系统控制软件的设计与实现

王云光，杜海涛，王文霞，张超

（1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093； 2.上海医疗器械高等专科学校 医用电子信息系，上海 200093）

糖化血红蛋白检测系统控制软件的设计与实现

王云光1、2，杜海涛1，王文霞2，张超1

（1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093； 2.上海医疗器械高等专科学校 医用电子信息系，上海 200093）

针对基于离子交换色谱法的糖化血红蛋白检测系统，提出了一种控制系统方案，并重点对其控制软件部分进行了设计与实现。控制系统采用模块化设计思想，提高了开发效率。控制软件部分给出了设计结构和关键程序，实现了数据库的连接、串行接口的通讯、数据结果的采集和曲线绘制等。经测试表明，该系统性能可靠，各项指标均能满足用户日常检测的需要。该方案的设计与实现，也为后续的嵌入式开发和其他相关仪器的研发奠定了良好的理论和实践基础。

糖化血红蛋白检测系统；糖化血红蛋白；色谱分析法；医疗检验设备

0 前言

糖尿病(Diabetes Mellitus，DM)是由于人体内胰岛素缺乏或相对缺乏所致的一种慢性内分泌代谢性疾病，以糖代谢紊乱为突出表现，未治疗状态下，以高血糖为主要特征，并伴有蛋白质及脂肪代谢异常[1]。目前糖尿病已成为一种严重影响人类健康的疾病，根据世界卫生组织官方预计，至2030年中国糖尿病患者将超过4千万，全世界将达到3.66亿[2、3]。临床上已广泛开展检测患者血糖的工作，但由于血糖仅能反映某一具体时间的血糖水平，容易受到进食和糖代谢等相关因素的影响，所以并不能作为评价疾病控制程度的指标。

糖化血红蛋白(Glycosylated Haemoglobin, GHB)指标能够反映测定前120天（即红细胞生命期）内平均血糖水平，相比于血糖监测，更能作为血糖控制的长期评估标准，现已成为了糖尿病监测的“金指标”，并且该指标获得了美国国家糖化血红蛋白标准化项目(National GlycohemoglobinStandardization Program, NGSP)的极力推荐和认可[4]。本文所研究的糖化血红蛋白检测系统采用低压液相的生化分析方法，对糖化血红蛋白中的各组分进行全自动的处理与分析，并最终达到检测各指标的目的。

1 基本原理

糖化血红蛋白检测系统的分离部分采用了低压离子交换层析技术与梯度洗脱技术相结合的色谱分析方法，从经溶血处理的全血中分离出血红蛋白亚基及变异体。低压离子交换技术是使用表面有离子交换基团的离子交换剂作为固定相，不同离子与交换基的作用力大小不同，在树脂中的保留时间长短不同，从而被相互分离。梯度洗脱技术主要是通过改变流动相中各溶剂组成的比例来改变流动相的极性，使样品中的所有组分可在最短时间内实现最佳分离[5]。糖化血红蛋白检测系统采用二者相结合的方法，使得糖化血红蛋白中的各组分能够得到最佳的分离效果。

图1 糖化血红蛋白检测系统总体结构

糖化血红蛋白检测系统的检测部件属于光学式分析系统，采用的是紫外/可见光(UV/Vis)检测器，又称为吸光光度检测器，是通过测定物质在流动池中吸收紫外/可见光的大小来确定其含量的。其定量分析的基础是朗伯-比耳定律，表达式如下：

2 系统总体结构

糖化血红蛋白检测系统是一个复杂的光、机、电一体的常用医疗检验设备，它主要由进样系统、反应系统、检测系统和控制系统等部分组成。其中控制系统是整个仪器的核心。如图1所示。

进样系统主要负责样品流动过程的进行，包括吸样、排样和清洗等；反应系统是利用离子交换层析和梯度洗脱的技术对样品进行检测前的预处理；检测系统是对离子交换层析后的各物质进行吸光度的测定。

控制系统采用的是模块化设计，分为控制硬件和软件两部分。之所以采用这种设计，主要是考虑到PC屏幕显示的优越性、单片机开发的高效性以及模块化设计的稳定性和可靠性。需要指出的是，这种设计方案主要是前期验证性开发的需要，并不是糖化血红蛋白检测系统中控制系统设计的最终方案。其中，软件主要负责人机交互界面以及对硬件的控制，硬件主要负责对步进电机、蠕动泵、样品阀、比例阀、注射器等机械部件进行控制，对光电检测信号进行处理。

3 控制系统硬件的设计

硬件电路采用的是C8051F060控制芯片，该控制芯片功能强大，其特点主要有高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）；两个16 位、1 Msps 的ADC，并且带有DMA(Direct Memory Access, 直接存储器存取) 控制器；丰富的数字I/O 引脚(59个)；4352（4K+256）字节的片内RAM；64KB可在系统编程的FLASH 存储器；5 个通用的16 位定时器；两个UART 串行接口等[6]。控制系统硬件结构如图2所示。

图2 控制系统硬件结构图

其中，检测器输出的模拟量通过C8051F060的ADC0(模数转换0通道)转化成数字量，数据采集时利用C8051F060集成的DMA控制器直接读入单片机的内存。DMA是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。其优点是其进行数据传输时不需要CPU的干涉，可以大大提高CPU的工作效率。DMA接口与ADC0和ADC1协同工作，将ADC输出直接写入指定的XRAM(Expanded RAM, 扩展数据存储器)区域。利用软件通过使用特殊功能寄存器来配置DMA接口。通过DMA控制逻辑来访问指令缓冲器，从ADC获取数据，并控制将数据写入XRAM。DMA指令告诉DMA控制逻辑从哪个ADC读取结果，但并不启动ADC转换。DMA控制流程如图3所示。

图3 DMA控制流程图

4 控制系统软件的设计

4.1 底层软件的设计

图4 底层软件结构

MCU(Micro Controller Unit,微控制器)系统控制器的内核是CIP-51微控制器。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发[6]。底层软件主要通过C语言和汇编语言相结合的方式来控制硬件，控制系统底层软件结构如图4所示。主要函数及功能如表1所示。

表1 底层软件函数名称及功能

4.2 人机交互界面的设计

人机交互界面的设计要考虑到两方面的因素：一是要有良好的界面，使得用户能够进行直观、高效的操作；二是要保证与硬件之间进行有效的通讯和传输。基于这两个因素，选择了Microsoft公司的Visual Basic 6.0 开发工具（简称VB）。首先，VB的易用性使其成为了世界上使用最为广泛的程序设计语言之一；其次，VB所自带的MSComm串口控件，可以方便地实现串口的通讯；同时，VB与SQL Server 2000数据库的完美结合，使得数据的管理变得易于操作。

4.2.1 人机交互界面功能需求

控制软件主流程为：由用户输入或条形码扫描输入ID号(病人编号)，点击运行样本后，进行检测，将检测得到的数据实时显示在屏幕上，而后对数据进行计算，将所得结果显示并存储，最终生成报表并打印。基于此主流程，控制软件要具有用户输入病人信息界面、检测过程数据和绘图的显示、数据的打印和检索、工程师维护菜单以及接口通讯等功能。

4.2.2 人机交互界面总体设计

图5 人机交互界面菜单的结构示意图

基于软件功能需求，将控制软件分为样本运作、数据处理、系统设置、工程师维护等4大模块，其具体结构如图5所示。

4.2.3 关键模块的设计与实现

4.2.3.1 输入病人信息

用户通过交互界面手动或条形码扫描进行病人信息的输入，接着，控制软件通过与SQL Server 2000数据库的连接，将输入的信息保存到数据库中。与数据库连接的部分代码如下：

4.2.3.4 曲线的绘制和显示[8]

PC在接收到数据后，利用VB的Picture控件及其Line方法，可将采集的数据实时地显示在屏幕上，并通过相应的积分和比例计算，得出最后的结果。限于篇幅，在这里只给出主要流程图，如图6所示。根据此流程图，可得到曲线绘制界面。

5 结论与展望

糖化血红蛋白检测系统中软件的设计是整个系统的灵魂。经过长时间的研制与开发，该软件设计方案已经实现，同时解决了工程中的许多问题。经大量实验测试，各项性能指标均达到行业标准，能够满足用户日常检测的需要。

图6 曲线绘制流程图

然而，模块化设计的方法，虽使得开发进度较快，并且提高了检测系统的自动化程度和各模块的运行效率，降低了故障率，但采用软硬件分离的方法，不利于系统的集成，若仅采用单片机的结构，则图形用户界面实现较为困难，同时对网络的支持较差。针对此问题，本实验室正在利用嵌入式技术进行糖化血红蛋白检测系统的二次开发。因此，本方案的设计与实现为后续的嵌入式开发奠定了良好的理论基础和实践依据。

[1] 杜惠峰,傅中滇.糖尿病及其国内流行现状[J].生物学教学,2002,27(1): 4-5.

[2] World Health Organization. Country and regional data [EB/OL].[2009-7-18]. http://www.who.int/diabetes/facts/world_figures/en/index.html.

[3] Sarah Wild, Gojka Roglic, Anders Green, et al. Global Prevalence of Diabetes: Estimates for the year 2000 and projections for 2030[J]. DIABETES CARE, 2004,27(5):1047-1053.

[4] 洪天配.关于HbA1c测定全球标准化的共识[J].中国糖尿病杂志,2007,15(12):768.

[5] 徐秉玖.仪器分析[M].北京:北京大学医学出版社,2004.

[6] 潘琢金.C8051F06X混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册[M/OL].(2004-12) [2009-7-18]. http://www.xhl.com.cn/sjsc/sjscdetail.asp?sid=29.

[7] Microsoft Corporation. MSDN Library Visual Studio 6.0(CHS)[M/OL].(2005)[2009-7-18]. http://msdn.microsoft.com/zh-cn/vbasic/default.aspx.

[8] 张宪青,李修仁.用VB6.0实现PLC与上位机串行通讯及实时曲线显示[J].组合机床与自动化加工技术,2005(9): 29-30.

Design and Implementation of Control Software in Glycosylated Haemoglobin Detection System

WANG Yun-guang1,2, DU Hai-tao1,WANG Wen-xia2, ZHANG Chao1
(1. School of Medical Instrument and Food Engineering ,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. Medical Electronic Information Department, Shanghai Medical Instrument College,Shanghai 200093,China)

According to the glycosylated haemoglobin detection system based on ion-exchange chromatography,this paper puts forward a scheme of control system, and then detailed description of control software is presented.The modularization design of the detection system improves the development efficiency. The design structure and key program is given in the part of control software; database connection, serial interface communication, data acquisition and curve drawing is also realized in this part. The testing results indicate that the system performance is reliable,and all indexes can meet requirements of routine testing.The design and implementation of this scheme also lays a theory and practice foundation for the further embedded development and the related instrument research.

glycosylated haemoglobin detection system;glycosylated haemoglobin; chromatographic method;medical inspection equipment

TP311.52

A

1674-1633(2010)01-0019-04

2009-07-15

2009-10-21

本文作者：王云光，副教授，硕士生导师。

作者邮箱：dhttony@yahoo.com.cn