基于光学比浊法的血凝检测系统

宋丽亚,周 围,吴 燕

(1.石家庄经济学院电子通信实验中心,河北石家庄 050035;2.河北工业大学现代测控技术研究所 ,天津 300130)

基于光学比浊法的血凝检测系统

宋丽亚1,周 围2,吴 燕1

(1.石家庄经济学院电子通信实验中心,河北石家庄 050035;2.河北工业大学现代测控技术研究所 ,天津 300130)

主要介绍了基于双光束比浊法的血凝检测系统的基本原理、设计方法和应用价值,整体陈述了硬件结构设计、基于LabV IEW的软件系统和关键技术。血凝双光束检测系统具有不破坏纤维、不受自然光干涉影响、可捕捉凝固过程的细微变化、精度高、准确性较好等优点,对血液的大部分检测项目都可进行检测。该检测系统的研究促进了中国医学血凝检测技术水平的提高。

血凝检测系统;光学比浊法;恒温;虚拟仪器

随着科学技术的发展和基础医学研究的进步,血栓与止血相关的检验是近年来临床血液学发展最快的领域,对检测手段的要求也越来越高,许多新的凝血、抗凝、纤溶因子抑制物的发现及检测方法的建立、自动化仪器的普及和试剂的商品化开发,带动了血栓与止血检验技术的发展,利用凝血仪进行血栓与止血的实验室检查,成为了临床血液学检验的新亮点。

1 光学比浊法血凝检测系统整体设计

改善传统凝血仪检测项目较少的缺点,设计一种能对多种凝血项目进行检测的智能化仪器,是本设计重要特点之一[1-3]。

本设计将完成10余种凝血项目的检测,如图1为装置总体示意图,运用能发射红光和蓝光的双光束二极管为恒定光源,光束通过装有血浆的试管,在试管另一端有硅光电池接收光信号。在保持血浆活性的37℃恒温环境下,在血浆内加入凝结剂,同时为保证凝结剂与血浆混合均匀,通过电机的带动使试管内搅拌子在一定时间内转动。血浆由于发生一定的理化反应而凝结,光信号也会随之发生改变。硅光电池将光信号转换成电信号,记录器将采集的电信号记载,对数据进行处理,可得到需要的信息[4-5]。

2 检测系统的硬件结构

图1 装置总体示意图Fig.1 Basic demonstration of the equipment

2.1 检测电路

本系统用发光二极管作为发射光源,硅光电池作为接收器,在发射接收过程中势必受到外界杂光和环境的干扰,而光的变化对检测结果又会有很大的影响,为了避免杂光影响,则需对光源进行调制。调制中的载波信号由振荡电路产生。正弦振荡波经稳幅环节后进入滞回比较器产生方波,作为下一步调制电路的载波信号和解调信号,如图2所示。

硅光电池接收光,将光强的变化转化为电流的变化再通过电路进行 I/V转换,通过I/V转换器把输入电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号,然后采用精密整流型相敏检波电路,从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,最后利用低通滤波电路来对输入信号进行滤波放大,而后成为可输入计算机进行处理的信号。

光的发射与接收装置如图3所示。D/A给出发光二极管5 V电压,每路有2个发光二极管并联,1个发红光,1个发蓝光。每次实验,根据检测项目选择红光或蓝光,每次一路只有1个二极管亮,由软件根据检测项目控制哪个灯亮。

光路图如图4所示。光通道直径5 mm,接收器面积为5 mm×5 mm,经过实验发现,不管开始凝结发生在试管内的哪个部分,接收器都能接收到凝结部分的变化并把它转换成电信号传递出去,这使得系统捕捉凝聚信息的能力增强,因此接收器的精度和灵敏度都很高。由于在设计中有调制解调环节,所以杂光本身不会对测量结果造成较大影响。

2.2 关键技术

接收部件与发射部件要保持平行,保证光电发射与光电接收的光轴一致。由检测的工作原理可知,为了保证4个检测通道检测的一致性,要求4个发射部件的性质相同,光强一致,同时4个接收部件的接收面积相同,这就要求4个发射和接收部件定位精度高,这是非常重要的,它将直接影响检测的重复性、一致性。如果接收部件与发射部件相偏离,试管内的一部分凝聚信息将无法被捕捉,直接影响实验结果。

图4 实际光路图Fig.4 Fact chart of light route

本仪器采用光学法进行检测,接收器件使用的是硅光电池,它对光线特别敏感,所以安装发射和接收器件的零件一定要采用黑色阳极氧化工艺。同时光轴要位于试样中心,这样杂光的影响才能够降到最低,可以有效捕捉试管内的信息。由于发光二极管和硅光电池的安装位置直接对使用试剂与血浆用量有影响,所以应保证检测液面高于它们,才能使得检测准确。为了节约试剂的使用量,应尽量使其向下放置(但同时试管的底部还装有搅拌子,放置的位置应该闪过搅拌子)。

3 软件系统

软件系统采用N I公司的LabV IEW软件平台,使用图形化编程语言完成对整个检测过程的监控,同时记录下整个检测过程的数据,并对其进行分析和处理,得出检测结论,同时将患者的资料和检测结果保存下来以便日后查找。LabV IEW软件系统具有强大的数据采集和与仪器间的通信功能,而且具有良好的人机交互界面,能够很好地达到设计要求[6]。

本系统软件主要有2个线程:一个是信号采集与控制线程,通过A/D转换、D/A转换、数字 I/O控制与采集卡交换信息,实现对信号的采集与控制;另一个是检测线程,该流程完成测量设置、血液检测、数据库和病例检索,质量控制,参数设置这几项功能。在系统初始化后,这2个线程单独运行,如图 5所示,它们通过全局变量实时交换信息,双线程设计思想的优势是灵活性和可移植性,如果采集卡更换,则检测部分不受影响,只需要在信号采集与控制流程中更改相关参数即可。

检测程序可进行4种不同项目的检测,不同试剂的检测方法类似,但所要求的发光光源波长不同,因此检测过程中需要随着检测项目的不同而改变发光光源,测量设置模块主要是用来实现这个功能的。这4个部分相对独立,可以根据需要检测的项目选择不同的模块。

图5 操作软件结构图Fig.5 Framework of software

4 数据处理与实验结果

系统采集信号后,由于硬件电路滤波后得到的信号仍然不符合要求,所以要用软件进一步滤波。首先是在采集流程中进行滤波,然后在各检测项目检测时根据需要进行滤波。本流程的滤波采用的是模拟二阶巴特沃斯低通滤波器。滤波后为了消除二极管电压漂移的影响进行归一化。接着数据暂存全局变量以备检测线程时调用,然后开始下一个循环的数据采集。

采集结束时,按照最后一路采集够规定点数后停止采集。然后进行数据分析,得到需要的结果。在凝血4项检测中,主要是求得凝血时间,即曲线下降的拐点。首先是滤波,采用三阶切比雪夫低通滤波,在保持原有波形不变的情况下有效滤除噪声。然后去掉开始10个点,避免加样时液面不稳和滤波对开始时刻的误差。寻找拐点的方法是设一个门值,当差分值一旦大于门值,确定此点为拐点。差分结束后是叠代法滤波,运用式(1)把差分值进行平滑处理,

然后是确定门值,这里的门值是最大差分值与最小差分值相减后得到差的1/2,经过实验,这个值是合适的。实验结果如图6、图7、图8所示(图中纵坐标为约化单位)。

5 结 论

本设计完成了对光学法凝血检测系统的设计与调试,通过研究利用双光束比浊法对凝血进行多个项目的检测,对开发所使用的机械结构设计、虚拟仪器软件和测控硬件设计及性能参数进行了研究、改良、优化。本检测系统具有操作简单、硬件结构简单、易于生产、非接触检测、不受自然光干扰影响、精度高、可检测多参数、具有很强的信号智能化分析处理功能等优点,基于LabV IEW的检测系统操作灵活,性价比高,易于功能升级。

总之,该检测系统的研究成功将弥补中国在血液检测领域的空白,在技术上和经济上都具有比较高的优越性,将进一步促进中国医学检测技术的提高,有利于中国医学的发展。

图8 血小板聚集数据处理曲线Fig.8 Curve of data p rocessing

[1]沈英才,蔡红立.电子仪器状态检测与典型故障的虚拟诊断技术[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2007,28(2):138-141.

[2]秦志英,张文苑.应用虚拟仪器技术研发测试实验系统[J].河北工业科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),2003,20(5):17-19.

[3]王学峰,王鸿利.血液凝固分析仪[J].现代医学仪器与应用(Modern Medical Equipment and Application),2000,12(3):7-10.

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[5]GEORGE J N,SHA TTIL SJ.The clinical important of acquired abnormalitiesof platelet function[J].N Engl JMed,1991,324:27-39.

[6]杨乐平,李海涛,赵 勇.LabV IEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

Cruor measurement system based on op tical nephelometery

SONG Li-ya1,ZHOU Wei2,WU Yan1
(1.Experiment Center of Electronics and Communication,Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang Hebei 050035,China;2.Research Institute of Modern M easurement and Control Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

This paper mainly describes the basic p rincip les,design methods and using value of two-beam coagulation in test of the p rojects of nephelometery.The design of hardware structure,software system based on LabV IEW and key technology were all stated in thispaper.Double-beam detection system of cruo r does not undermine the fiber,but can avert interference effectsof natural light,capture the subtle changes in the solidification p rocess,and guarantee high p recision and good accuracy,etc.Most of the blood test item s can be detected.The research in the detection system has p romo ted themedical detection technology.

cruor measurement system;op tical nephelometery;constant temperature;LabV IEW

TH776;R446

A

1008-1542(2010)02-0100-04

2009-06-03;责任编辑:陈书欣

宋丽亚(1980-),女,河北保定人,讲师,硕士,主要从事光检测方面的研究。